Chương 1: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN LUẬN ÁN ……………………….1 Tính cấp thiết của đề tài…………………………………………………….2 Mục tiêu nghiên cứu……………………………………………………….3 Đối tượng và nội dung nghiên cứu………………………………………….4 Phương pháp nghiên cứu……………………………………………….5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn……………………………………………… 4 1.6 Cấu trúc của luận án………………………………………………………. 4 Chương 2: TỔNG QUAN VỀ CÁC MÔ HÌNH VẬT LIỆU DẢI NANO NGŨ GIÁC PG-SS, P-SiC2-SS VÀ P-P2C-SS……………………………….1 Mô hình PG-SS…………………………………………………………….1 Mô hình PG……………………………………………………………….2 Mô hình PG-SS………………………………………………………….2 Mô hình p-SiC2-SS………………………………………………………… 10 2.1 Mô hình p-SiC2………………………………………………………….2 Mô hình p-SiC2-SS……………………………………………………….3 Mô hình p-P2C-SS…………………………………………………………. 14 Chương 3: PHƯƠNG PHÁP MÔ PHỎNG DFT VÀ PHƯƠNG PHÁP MÔ PHỎNG NEGF-DFT…………………………………………………………. 16 MỤC A: PHƯƠNG PHÁP MÔ PHỎNG DFT………………………………… 16 3.1 Lý thuyết phiếm hàm mật độ điện tử (DFT).1 Bài toán về hệ nhiều hạt.2 Lý thuyết phiếm hàm mật độ điện tử (DFT).3 Mô hình Kohn-Sham…………………………………………………….4 Phiếm hàm năng lượng tương quan trao đổi……………………………… 18 3.5 Hiệu chỉnh tương tác Van der Waals…………………………………….2 Phương pháp mô phỏng DFT……………………………………………….1 Bộ hàm cơ sở…………………………………………………………….4 Cách vận hành chương trình mô phỏng DFT…………………………….5 Ưu điểm và khuyết điểm của phương pháp mô phỏng DFT……………… 29 MỤC B: PHƯƠNG PHÁP MÔ PHỎNG NEGF-DFT……………………….3 Cách tiếp cận của Landauer trong vấn đề truyền dẫn điện tử……………….1 Năm giả định của Landauer……………………………………………….2 Ưu điểm và khuyết điểm của cách tiếp cận Landauer…………………….4 Định lượng lý thuyết Landauer – Hệ số truyền qua T(E)…………………… 35 3.1 Một số đặc trưng của mô hình…………………………………………….2 Xây dựng biểu thức Hệ số truyền qua…………………………………….5 Biểu thức hệ số truyền qua biểu diễn theo hàm Green……………………… 43 3.1 Phương pháp hàm Green cho mô hình đơn hạt…………………………… 43 3.2 Biểu thức hàm Green toàn linh kiện……………………………………… 44 3.3 Biểu diễn T(E) theo hàm Green toàn linh kiện…………………………… 47 3.6 Phương pháp mô phỏng NEGF-DFT……………………………………….1 Cấu hình linh kiện……………………………………………………….2 Cách vận hành chương trình mô phỏng NEGF-DFT…………………….
50 Chương 4: THẢO LUẬN CÁC KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU CHÍNH CỦA LUẬN ÁN……………………………………………………………………. 52 MỤC A: KHẢO SÁT TÍNH CHẤT ĐIỆN TỬ CỦA MÔ HÌNH P-SiC2-SS….1 Mô hình p-SiC2…………………………………………………………….2 Các thông số quan trọng dùng mô phỏng các dải nano ngũ giác p-SiC2…….3 Các mô hình dải nano ngũ giác p-SiC2…………….4 Mô hình p-SiC2-SS…………………………………………………….1 Mức độ ổn định và bền vững của mô hình p-SiC2-SS…………………….2 Tính chất điện tử của mô hình p-SiC2-SS được phân tích theo cấu trúc vùng năng lượng……………………………………………………………….3 Tính chất điện tử của mô hình p-SiC2-SS được phân tích theo mật độ trạng thái……………………………………………………………………….4 Tính chất điện tử của mô hình p-SiC2-SS được phân tích theo mật độ trạng thái hướng đối tượng……….5 Trực quan hóa trạng thái điện tử của mô hình p-SiC2-SS………………….5 Một số kết luận quan trọng từ hướng nghiên cứu mô hình p-SiC2-SS ……… 66 MỤC B: SO SÁNH TÍNH CHẤT ĐIỆN TỬ VÀ TRUYỀN DẪN ĐIỆN TỬ CỦA CÁC MÔ HÌNH PG-SS, P-P2C-SS VÀ P-SiC2-SS……………………….6 Mô hình p-P2C và mô hình p-P2C-SS……………………………………….2 Một số thông số quan trọng dùng mô phỏng mô hình p-P2C-SS………….3 Cấu trúc và mức độ ổn định của mô hình p-P2C-SS……………………….4 Tính chất điện tử và từ tính của mô hình p-P2C-SS có W = 10………….7 Các thông số quan trọng dùng mô phỏng các mô hình PG-SS, p-P2C-SS và p-SiC2-SS…………………………………………………………………….1 Các thông số dùng mô phỏng cấu trúc hình học, độ ổn định và tính chất điện tử………………………………………………………………………….2 Các thông số dùng mô phỏng tính chất truyền dẫn điện tử……………….8 Một số đặc tính của các mô hình PG-SS, p-P2C-SS và p-SiC2-SS………….1 Cấu trúc hình học của các mô hình PG-SS, p-P2C-SS và p-SiC2-SS….2 Khả năng bền vững của các mô hình PG-SS, p-P2C-SS và p-SiC2-SS….9 Tính chất điện tử của các mô hình PG-SS, p-P2C-SS và p-SiC2-SS.1 Tính chất điện tử của các mô hình PG-SS, p-P2C-SS và p-SiC2-SS được phân tích theo cấu trúc vùng năng lượng….2 Tính chất điện tử của các mô hình PG-SS, p-P2C-SS và p-SiC2-SS được phân tích theo mật độ trạng thái……………………………………………….3 Tính chất điện tử của các mô hình PG-SS, p-P2C-SS và p-SiC2-SS được phân tích theo mật độ trạng thái hướng đối tượng….4 Trực quan hóa tính chất điện tử của các mô hình PG-SS, p-P2C-SS và p- SiC2-SS………………………………………………………………………… 82 4.10 Tính chất truyền dẫn điện tử của các mô hình PG-SS, p-P2C-SS và p-SiC2- SS……………………………………………………………………………… 83 x 4.1 Các mô hình linh kiện………………………………………………….2 Hệ số truyền qua T(E) của các mô hình linh kiện……………………….3 So sánh sự phân bố mật độ điện tử cộng hóa trị của các mô hình PG-SS, p-P2C-SS và p-SiC2-SS trong hai tình huống: cấu trúc tuần hoàn và vùng trung tâm của linh kiện……………………………………………………………….11 Một số kết luận quan trọng từ hướng nghiên cứu nhóm mô hình PG-SS, p-P2C-SS và p-SiC2-SS………………………………………………………… 87 MỤC C: ẢNH HƯỞNG CỦA HIỆN TƯỢNG HẤP PHỤ LÊN TÍNH CHẤT ĐIỆN TỬ VÀ TRUYỀN DẪN ĐIỆN TỬ CỦA MÔ HÌNH PG-SS…………….12 Vấn đề hấp phụ phân tử khí……………………………………………….1 Tổng quan về hiện tượng hấp phụ phân tử trên các vật liệu thấp chiều…………………………………………………………………………… 89 4.2 Cảm biến khí…………………………………………………………….3 Lý do lựa chọn mô hình và loại phân tử khí…………………………….13 Các bước nghiên cứu chính……………………………………………… 91 4.14 Các thông số mô phỏng quan trọng của chương trình…………………….1 Các thông số dùng mô phỏng cấu trúc hình học và tính chất điện tử…….2 Các thông số dùng mô phỏng tính chất truyền dẫn điện tử……………….15 Cấu trúc hình học và tính chất điện tử của mô hình PG-SS……………….16 Một số vị trí hấp phụ tối ưu của CO, CO2 và NH3 trên PG-SS…………….17 Ảnh hưởng của sự hấp phụ lên tính chất điện tử của mô hình PG-SS……… 95 4.1 Phân tích theo điện tử trao đổi………………………………………….2 Phân tích theo cấu trúc vùng năng lượng……………………………….3 Phân tích theo mật độ trạng thái………………………………………… 97 4.4 Trực quan hóa sự phân bố trạng thái điện tử trong không gian………….18 Ảnh hưởng của sự hấp phụ lên tính chất truyền dẫn điện tử của mô hình PG-SS………………………………………………………………………….1 Cấu hình linh kiện……………………………………………………….2 Sự thay đổi của hệ số truyền qua T(E) của mô hình linh kiện do hiện tượng hấp phụ………………………………………………………………….19 Một số kết luận quan trọng từ hướng nghiên cứu hiện tượng hấp phụ……. 101 Chương 5: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG ĐỀ XUẤT………………………….1 Các kết luận quan trọng của luận án……………………………………….2 Vấn đề tồn đọng trong nghiên cứu….3 Một số hướng nghiên cứu tiếp theo………………………………………… 106 Tài liệu tham khảo……………………………………………………………. 107 Danh mục các bài báo đã công bố……………………………………………… 115 xii DANH MỤC VIẾT TẮT TỪ VIẾT TẮT GIẢI THÍCH C Nguyên tử Carbon C2 Nguyên tử Carbon lai hóa sp2 C3 Nguyên tử Carbon lai hóa sp3 CBM Năng lượng cực tiểu trong vùng dẫn của cấu trúc vùng năng lượng DFT Lý thuyết phiếm hàm mật độ điện tử DOS Mật độ trạng thái Ef Mức năng lượng Fermi H Nguyên tử Hydro KS Kohn-Sham NEGF-DFT Hàm Green không cân bằng kết hợp lý thuyết phiếm hàm mật độ điện tử P Nguyên tử Phosphorus PDOS Mật độ trạng thái hướng đối tượng PG Penta-graphene PGNR Dãy nanomet ngũ giác Penta-graphene nói chung PG-SS Dãy nanomet ngũ giác PGNR có hai biên dạng răng cưa p-P2C-SS Dãy nanomet ngũ giác p-P2C có hai biên dạng răng cưa p-SiC2 Penta-silicene dicarbide p-SiC2-NR Dãy nanomet ngũ giác Penta-silicene dicarbide nói chung p-SiC2-SS Dãy nanomet ngũ giác p-SiC2 có hai biên dạng răng cưa Si Nguyên tử Silicon VBM Năng lượng cực đại trong vùng hóa trị của cấu trúc vùng năng lượng VdW Van der Waals W Độ rộng của dãy, được tính bằng tổng số dãy nguyên tử dọc theo chiều tuần hoàn của mô hình xiii DANH SÁCH HÌNH Hình 2.1: Cấu trúc hình học của PG.
Ô vuông đỏ đứt nét giới hạn một ô cơ sở. Trong ô cơ sở, các quả cầu màu đen và màu vàng lần lượt đại diện cho các nguyên tử C2 và C1. Các hình ngũ giác với các màu khác nhau nhằm minh họa tính chất không đồng phẳng giữa chúng. Hình bên dưới thể hiện góc nhìn song song bề mặt của mẫu cho thấy PG là cấu trúc nhấp nhô có độ gồ ghề h [6]………………….2: Cấu hình điện tử của PG.
Các hình (b) và (c) tương ứng với các trạng thái điện tử có các mức năng lượng ngay dưới mức Fermi.3: Các cấu trúc hình học của PGNR. Hình (a) minh họa các hướng cắt đối với PG. Các hình (b), (c), (d) và (e) lần lượt là các cấu trúc PG-ZZ, PG-ZA, PG-AA và PG-SS. Ký hiệu w đặc trưng cho độ rộng của mỗi dải.
Các quả cầu màu xám và màu trắng lần lượt đại diện cho các nguyên tử C và H. Các quả cầu với các màu sắc còn lại ở các dải nano tượng trưng cho các hướng cắt ở hình (a). Các hình chữ nhật màu đỏ đứt nét cho thấy một siêu ô cơ sở của mỗi dải nano [15]……………………………………………………… 8 Hình 2.4: Tính chất điện tử đặc trưng của PG-SS. Hình (a) là cấu trúc vùng năng lượng cho thấy PG-SS là chất bán dẫn có vùng cấm xiên, và sự phân bố trong không gian của các orbital ứng với các mức năng lượng lân cận mức Fermi.5: Cấu trúc hình học của p-SiC2.
Hình (a) đại diện cho một ô cơ sở với giá trị của các góc liên kết. Hình (b) cho thấy bề mặt của p- SiC2. Hình (c) minh hoạt độ gồ ghề h của mẫu khi được nhìn theo hướng song song bề mặt. Các quả cầu màu đen và màu vàng lần lượt đại diện cho các nguyên tử C và Si [25]……………………… 11 Hình 2.6: Đặc tính điện tử của p-SiC2.
Hình (a) cho thấy cấu trúc vùng năng lượng. Hình (b) và (c) thể hiện sự phân bố trạng thái (DOS) theo năng lượng. Các Hình (d) và (f) chỉ rõ sự phân bố của các trạng thái điện tử trong không gian (các quả bóng màu tím) lần lượt theo mức năng lượng CBM và VBM. Các quả cầu màu vàng và xám lần lượt đại diện cho các nguyên tử Si và C [26]…………………………………………….7: Một số cấu trúc hình học của dải nano được cắt ra từ p-SiC2.
Trong đó, hình (a) là buckle-SiC2-pentagon-CH, hình (b) là buckled- SiC2-pentagon-CH2, hình (c) là buckled-SiC2-pentagon-SiH và hình (d) là buckled-SiC2-pentagon-SiH2. Các quả cầu màu xám, màu vàng và màu trắng lần lượt đại diện cho các nguyên tử C, Si và H. Trong mỗi hình, từng mẫu được nhìn theo ba hướng khác nhau [26]………………………………………………………….8: Một số cấu trúc hình học của dải nano được cắt ra từ p-SiC2. Trong đó, (a) là SiC2-SS (luận án gọi là p-SiC2-SS), (b) là SiC2-AA và (c) là SiC2-ZZ.
Các quả cầu màu xanh, màu tím và màu trắng lần lượt đại diện cho các nguyên tử C, Si và H.9: Cấu trúc hình học của mẫu p-P2C. Hình (a) và (c) lần lượt là ảnh theo hướng vuông góc và song song bề mặt của vật liệu. Các ký hiệu α, β và γ đại diện cho các góc liên kết đặc trưng. Hình (b) minh hoạt cấu trúc của ô cơ sở.
Các quả cầu màu tím và màu xanh lần lượt đại diện cho các nguyên tử C và P [34]…………………… 14 Hình 2.10: Cấu trúc điện tử của mẫu p-P2C. Hình (b) cho thấy sự phân bố của DOS được tính theo HSE06. Các đường màu đỏ và màu xanh trong hình (b) lần lượt đại diện cho orbital s và p của loại nguyên tử P (hình trên) và loại nguyên tử C (hình dưới) [34]……………………………………………… 15 Hình 3.1: Vai trò quan trọng của bổ đính tương tác Van der Waals vào năng lượng tổng của hệ nhiều hạt. Đường cong màu xanh lá là năng lượng tổng của hệ khi chưa có năng lượng bổ đính VdW.
