Luận án tiến sĩ: Tương tác điện tử trong hệ nano cluster hợp kim Au9M2MSCN và AgNCRN2 12

Luận án tiến sĩ nghiên cứu tương tác vật lý giữa điện tử tự do và điện tử định xứ trong hệ nano cluster hợp kim Au9M2MSC Ni và AgNCR N2 12.

Người đăng

Ẩn danh

Thể loại

Luận Án

2024

163
4
0

Phí lưu trữ

45 Point

Mục lục chi tiết

LỜI CAM ĐOAN

LỜI CẢM ƠN

1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

1.1. Tổng quan nano cluster

1.2. Khái niệm nano cluster

1.3. Tiềm năng ứng dụng của nano cluster

1.4. Nano cluster hợp kim

1.5. Tính ổn định, bền vững

1.6. Tính chất từ

1.7. Tương tác giữa điện tử tự do và điện tử định xứ trong các hệ nano cluster hợp kim

1.8. Tình hình nghiên cứu trên thế giới

1.9. Tình hình nghiên cứu trong nước

1.10. Kết luận chương 1

2. CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

2.1. Phương pháp nghiên cứu

2.2. Các phương pháp tính toán lượng tử

2.3. Phương pháp lý thuyết phiếm hàm mật độ (DFT)

2.4. Phần mềm tính toán

2.5. Phương pháp tính toán

2.6. Xây dựng quy trình tính toán

2.7. Đánh giá độ tin cậy của phương pháp tính toán với số liệu thực nghiệm

2.8. Kết luận chương 2

3. CHƯƠNG 3: TƯƠNG TÁC ĐIỆN TỬ S-D TRONG CÁC HỆ NANO CLUSTER HỢP KIM

3.1. Tương tác điện tử s-d trong các hệ nano cluster hợp kim Au9M2+ (M = Sc-Ni)

3.2. Cấu trúc điện tử của nano cluster Au9M2+

3.3. Lai hóa orbital trên nano cluster Au9M2+

3.4. Mật độ trạng thái điện tử trên nano cluster Au9M2+

3.5. Tương tác điện tử s-d trong các hệ nano cluster hợp kim AgnCr (n = 2-12)

3.6. Cấu trúc điện tử của nano cluster AgnCr

3.7. Lai hóa orbital trên nano cluster AgnCr

3.8. Mật độ trạng thái điện tử trên nano cluster AgnCr

3.9. Kết luận chương 3

4. CHƯƠNG 4: ẢNH HƯỞNG CỦA TƯƠNG TÁC S-D ĐẾN CÁC TÍNH CHẤT CỦA NANO CLUSTER HỢP KIM

4.1. Nano cluster hợp kim Au9M2+ (M = Sc-Ni)

4.2. Cấu trúc hình học của nano cluster Au9M2+

4.3. Đá bán vững của nano cluster Au9M2+

4.4. Tương tác của nano cluster Au9M2+ với H2

4.5. Nano cluster hợp kim AgnCr (n = 2-12)

4.6. Cấu trúc hình học của nano cluster AgnCr

4.7. Đá bán vững của nano cluster AgnCr

4.8. Tương tác của nano cluster AgnCr với H2

4.9. Kết luận chung

4.10. Kiến nghị những nghiên cứu tiếp theo

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH CÔNG BỐ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN

TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Giới thiệu về nano cluster

Nano cluster là các cấu trúc có kích thước từ vài nanomet đến hàng trăm nanomet, được hình thành từ một số lượng nguyên tử nhất định. Chúng có tính chất vật lý và hóa học khác biệt so với các vật liệu ở quy mô lớn. Nghiên cứu tương tác điện tử trong các hệ nano cluster hợp kim như Au9M2MSCN và AgNCRN2 12 đang thu hút sự quan tâm lớn từ cộng đồng khoa học. Các nano cluster này có tiềm năng ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như xúc tác, quang học và spintronics. Việc hiểu rõ về tương tác điện tử giữa các nguyên tử trong nano cluster sẽ giúp tối ưu hóa các tính chất của chúng, từ đó phát triển các ứng dụng mới trong công nghệ. Theo nghiên cứu, các nano cluster hợp kim có thể thay đổi tính chất điện tử và quang học tùy thuộc vào thành phần và cấu trúc của chúng. Điều này mở ra hướng đi mới cho việc thiết kế vật liệu nano với các tính chất mong muốn.

II. Tính chất điện tử của nano cluster hợp kim Au9M2MSCN

Hệ nano cluster hợp kim Au9M2MSCN (M = Sc, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni) cho thấy sự tương tác điện tử mạnh mẽ giữa các nguyên tử vàng và kim loại chuyển tiếp. Tính chất điện tử của hệ này được xác định thông qua các phương pháp tính toán như lý thuyết phiếm hàm mật độ (DFT). Kết quả cho thấy rằng, sự lai hóa orbital giữa các nguyên tử vàng và kim loại chuyển tiếp tạo ra các trạng thái điện tử mới, ảnh hưởng đến tính chất quang học và xúc tác của hệ. Cấu trúc điện tử của nano cluster Au9M2MSCN cho thấy sự phân bố không đồng đều của điện tử, dẫn đến sự hình thành các vùng năng lượng khác nhau. Điều này có thể giải thích cho khả năng xúc tác cao của các nano cluster này trong các phản ứng hóa học. Nghiên cứu này không chỉ cung cấp cái nhìn sâu sắc về tính chất điện tử mà còn mở ra hướng đi mới cho việc phát triển các vật liệu nano với tính chất tối ưu.

III. Tương tác điện tử trong hệ AgNCRN2 12

Hệ nano cluster AgNCRN2 12 cũng cho thấy những đặc điểm tương tự trong tương tác điện tử. Các nghiên cứu cho thấy rằng, sự tương tác giữa các nguyên tử bạc và nguyên tử chuyển tiếp trong hệ này tạo ra các trạng thái điện tử đặc biệt, ảnh hưởng đến tính chất quang học và điện từ của vật liệu. Phân tích cấu trúc điện tử cho thấy rằng, các trạng thái điện tử của bạc có thể tương tác mạnh mẽ với các nguyên tử chuyển tiếp, dẫn đến sự thay đổi đáng kể trong tính chất vật lý của hệ. Điều này cho thấy rằng, việc nghiên cứu tương tác điện tử trong các hệ nano cluster hợp kim không chỉ giúp hiểu rõ hơn về cấu trúc và tính chất của chúng mà còn mở ra cơ hội cho việc phát triển các ứng dụng mới trong công nghệ nano.

IV. Ứng dụng thực tiễn của nghiên cứu

Nghiên cứu về tương tác điện tử trong các hệ nano cluster hợp kim Au9M2MSCN và AgNCRN2 12 có nhiều ứng dụng thực tiễn. Các nano cluster này có thể được sử dụng trong lĩnh vực xúc tác, nơi mà tính chất điện tử và quang học của chúng có thể được tối ưu hóa để tăng cường hiệu suất của các phản ứng hóa học. Ngoài ra, chúng cũng có thể được ứng dụng trong công nghệ cảm biến, nơi mà khả năng phát hiện và phân tích các chất hóa học có thể được cải thiện nhờ vào tính chất điện tử độc đáo của các nano cluster. Hơn nữa, việc hiểu rõ về tính chất quang học của các hệ này có thể dẫn đến sự phát triển của các thiết bị quang học mới, như cảm biến quang và thiết bị phát quang. Tóm lại, nghiên cứu này không chỉ có giá trị lý thuyết mà còn mang lại nhiều ứng dụng thực tiễn trong các lĩnh vực công nghệ hiện đại.

07/02/2025

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: Tổng quan về nano cluster hợp kim. Chương 2: Phương pháp nghiên cứu. Chương 3: Tương tác điện tử s-d trong các hệ nano cluster hợp kim. Chương 4: Ành hưởng của tương tác s-d đến các tính chất của nano cluster hợp kim.

LuÁn án này đ°āc thực hián bãi há tháng máy tính hiáu năng cao t¿i trung tâm tin hãc và tính toán – Vián Hàn lâm Khoa hãc và Công nghá Viát Nam; há tháng máy tính t¿i Vián Khoa hãc vÁt liáu; há tháng máy tính hiáu năng cao t¿i tr°áng Đ¿i hãc Tôn Đćc ThÃng. KÃt quÁ chính cąa luÁn án đ°āc công bá trên 03 bài báo đ°āc đăng trên các t¿p chí khoa hãc thuác danh măc SCIE và 05 bài báo trên các t¿p chí khoa hãc chuyên ngành trong n°ßc. TÞNG QUAN VÀ NANO CLUSTER HþP KIM 1. Tßng quan nano cluster 1.

Khái niệm nano cluster Khi các nguyên tā sÃp xÃp theo mát trÁt tự gÅn mà không bá Ánh h°ãng bãi các t°¢ng tác bên ngoài, chúng sÁ t¿o thành cÃu trúc có kích th°ßc khoÁng vài tßi vài chăc nguyên tā, đ°āc gãi là nano cluster [1]. Nano cluster có cÃu trúc đián tā vßi các đặc điÇm đ¿i dián cho tr¿ng thái trung gian cąa vÁt chÃt giăa kích th°ßc nguyên tā và các h¿t/cÃu trúc nano có kích th°ßc vài chăc tßi vài trăm nano mét. Mát nano cluster có thÇ đãng nhÃt, nghĩa là nó đ°āc t¿o ra tÿ mát lo¿i nguyên tā hoặc có thÇ không đãng nhÃt, nghĩa là nó đ°āc t¿o ra tÿ hai hay nhiÅu lo¿i nguyên tā khác nhau. Các nano cluster không đãng nhÃt đ°āc t¿o ra tÿ hai hay nhiÅu lo¿i nguyên tā kim lo¿i khác nhau đ°āc gãi là các nano cluster hāp kim.

Nano cluster đ°āc nghiên cću và phát triÇn tÿ rÃt sßm, ngay tÿ nhăng năm 1967 [10], tuy nhiên hÅu hÃt các nghiên cću thực nghiám ban đÅu vÅ nano cluster liên quan đÃn các phân tā, các nguyên tā khí tr¢ và các kim lo¿i có nhiát đá nóng chÁy thÃp. Các nhà khoa hãc tiÃp cÁn nano cluster vßi măc đích ban đÅu là hiÇu rõ vÅ cÃu trúc và các đặc tính chung cąa vÁt chÃt chẳng h¿n nh° đá d¿n đián, màu sÃc, tÿ tính phát triÇn nh° thà nào khi mát sá hău h¿n các nguyên tā kÃt hāp vßi nhau [11]. Mặc dù, các nghiên cću đã đ¿t đ°āc nhăng tiÃn bá đáng kÇ đÇ trÁ lái mát sá câu hßi c¢ bÁn vÅ nano cluster, nh°ng trong giai đo¿n đÅu, các nhà khoa hãc ch°a l°áng tr°ßc đ°āc các đặc tính đa d¿ng và thú vá cąa nano cluster. Nhăng kÃt quÁ ban đÅu này đã mã đ°áng cho lĩnh vực khoa hãc vÅ nano cluster phát triÇn theo cách ch°a tÿng thÃy ã các vÁt liáu tự nhiên.

CÃu trúc hình hãc, cÃu trúc đián tā cąa các vÁt liáu phă thuác theo kích th°ßc. 6 â kích th°ßc nano cluster, cÃu trúc hình hãc, tính chÃt vÁt lý và hóa hãc cąa chúng có sự khác biát lßn so vßi chính chúng ã d¿ng khái. Các nano cluster có nhăng mćc năng l°āng rái r¿c (Hình 1.1), các đián tā hóa trá trên tÿng nguyên tā trong nano cluster chuyÇn đáng tự do trong mát tr°áng thà t¿o bãi h¿t nhân và cũng hình thành lßp vß đián tā t°¢ng tự nh° trong nguyên tā. Trong quá trình liên kÃt, các đián tā hóa trá trong tÿng nguyên tā di chuyÇn tự do sang nguyên tā khác và t¿o thành lßp vß đián tā chung cho cÁ nano cluster ćng vßi các mćc năng l°āng khác vßi lßp vß đián tā cąa mßi nguyên tā thành phÅn trong nano cluster.

Chß cÅn thêm, bßt mát nguyên tā trong nano cluster d¿n đÃn tính chÃt vÁt lý cąa nano cluster thay đåi đát ngát và khó có thÇ tiên đoán đ°āc [12]. Sự thay đåi đát ngát tính chÃt cąa nano cluster này đ°āc giÁi thích do sá l°āng lßn các nguyên tā bÅ mặt, do đó trong các nano cluster xuÃt hián hiáu ćng giam giă l°āng tā, là hián t°āng b°ßc sóng cąa đián tā có thÇ đ°āc so sánh vßi kích th°ßc h¿t. Chính vì lý do trên, chß cÅn thay đåi nhß vÅ kích th°ßc cąa nano cluster sÁ làm tính chÃt, sự ån đánh, cÃu trúc hình hãc cąa nano cluster thay đåi hoàn toàn khác vßi chính chúng ã d¿ng khái. Các vÁt liáu kích th°ßc lßn h¢n (h¿t/cÃu trúc nano hoặc d¿ng khái) th°áng có cÃu trúc dÁi năng l°āng liên tăc hoặc năng l°āng vùng cÃm (Eg, eV) nhß, t°¢ng ćng vßi cÃu trúc xÃp chặt theo quy luÁt tái thiÇu hóa dián tích bÅ mặt và tái đa hóa sá l°āng liên kÃt.

Trái l¿i, ã kích th°ßc nano cluster sự thay đåi theo kích th°ßc rÃt khác so vßi chính chúng ã kích th°ßc lßn h¢n và khó dự đoán. Do đó, các nano cluster là đái t°āng thu hút sự quan tâm nghiên cću cąa các nhà khoa hãc không chß bãi mong muán mã ráng nhăng hiÇu biÃt c¢ bÁn vÅ sự biÃn đåi tích chÃt hóa lý cąa vÁt chÃt tÿ cÃp đá nguyên tā mà còn đ°āc kỳ vãng thiÃt kà các vÁt liáu có kích th°ßc ngày càng nhß, thông minh h¢n cho các ćng dăng khác nhau. Lý thuyết vỏ điện tử 1. Mô hình cấu trúc lớp vỏ điện tử đơn giản Jellium CÃu trúc đián tā cąa các nano cluster đ°āc biÃt đÃn ráng rãi vßi khÁ năng biÃn đåi m¿nh phă thuác vào sá l°āng nguyên tā.

Mái quan há giăa cÃu trúc đián tā và kích th°ßc nano cluster đã đ°āc phát hián lÅn đÅu tiên trên các nano cluster NaN. Bằng quan sát phå khái vào năm 1984, nhóm nghiên cću cąa Knight và cáng sự [13] đã quan sát thÃy các nano cluster NaN t¿i N = 8, 20, 40, 58 và 92 nguyên tā có tín hiáu phå khái tăng bÃt th°áng so vßi các kích th°ßc lân cÁn khác (Hình 1. Phå khái cąa nano cluster NaN (N = 4-92) [13] ĐiÅu này đ°āc giÁi thích bằng sự hình thành và biÃn đåi lßp vß đián tā cąa nano cluster NaN theo sá l°āng các nguyên tā dựa trên mô hình Jellium vßi giÁ thuyÃt các đián tích h¿t nhân trong nano cluster NaN phân bá đãng đÅu trong mát khái hình cÅu sao cho các đián tā hóa trá 3s cąa mßi nguyên tā Na di chuyÇn tự do xung quanh theo các quỹ đ¿o khác nhau. Khi đó, các đián tích d°¢ng đ°āc đánh xć bên trong h¿t nhân còn các đián tā hóa trá chuyÇn đáng tự do xung quanh h¿t nhân t°¢ng tự nh° trong nguyên tā (Hình 1.

â nhăng kích th°ßc nhÃt đánh, sá l°āng các đián tā hóa trá điÅn đÅy mát mćc mćc năng l°āng nào đó thì đá ån đánh cąa các nano cluster này sÁ đ°āc tăng c°áng. Đái vßi nano cluster NaN, sự tăng c°áng đá ån đánh đ°āc ghi nhÁn t°¢ng ćng vßi kích th°ßc có sá đián tā là 2, 8, 20, 34, 40&Các giá trá này t°¢ng ćng vßi sự điÅn đÅy lßp vß đián tā 1S/1P/1D/2S/1F/& Hình 1. Mô hình Jellium [14]. 8 Nh° vÁy, mô hình cÃu trúc lßp vß hình cÅu có thÇ giÁi thích các hiáu ćng đánh tính lßp vß đián tā trong các đặc tính phă thuác vào kích th°ßc cąa các nano cluster kim lo¿i đ¢n giÁn, trong đó các đián tā hóa trá cąa các nguyên tā cÃu thành có thÇ đ°āc coi là chuyÇn đáng tự do trong tr°áng thà t¿o bãi ion d°¢ng.

Tuy nhiên, mô hình đ¢n giÁn này không thÇ chćng minh liáu hián t°āng này có thÇ đ°āc mã ráng cho các nano cluster không đãng nhÃt đ°āc t¿o ra tÿ hai hay nhiÅu nguyên tā khác nhau. MÁt đá đián tā, ái lực đián tā và năng l°āng ion hóa khác nhau cąa nguyên tā pha t¿p làm xáo trán đián thà hiáu dăng cąa các đián tā hóa trá. Khi đó, thć tự các mćc năng l°āng đián tā và hành vi phân chia đián tā cũng bá Ánh h°ãng bãi đián thà thay đåi này, d¿n đÃn cÃu trúc hình hãc cąa các nano cluster thay đåi, t¿o ra các giÃng thà cùng vßi các lßp vß đián tā khác nhau. Mô hình Jellium do đó có thÇ dựa trên giÃng thà hình cÅu, hình trung gian hoặc hình vuông đÇ mô tÁ các nano cluster phćc t¿p (Hình 1.

Mćc năng l°āng và sá l°āng đián tā chiÃm giă tái đa t°¢ng ćng cąa các orbital trong các giÃng thà hình cÅu, hình trung gian và hình vuông [13]. ĐÇ xác đánh cÃu hình đián tā t°¢ng ćng vßi mßi giÃng thà năng khác nhau, chúng tôi xem xét ph°¢ng trình toán tā Hamiltonian cąa há đ¢n h¿t vßi khái l°āng m chuyÇn đáng trong giÃng thà năng đẳng h°ßng ba chiÅu có d¿ng [15]: Ă2 ÿ20 �㕟 2 Ā(Ā+3) (1.1) H= + 2 Āħ0 [þ2 2 ] 2ÿ 2 2 9 Trong đó p và r là toán tā đáng l°āng và tãa đá electron ch°a ghép cặp, 0 là tÅn sá dao đáng, þ là toán tā mô men đáng l°āng và n là sá vß. Hằng sá U (đá dách Ă2 chuyÇn) đ°āc điÅu chßnh đÇ phù hāp vßi các giá trá thực nghiám. Sá h¿ng biÇu thá 2ÿ ÿ20 �㕟 2 đáng năng cąa electron.

Sá h¿ng là thà năng t°¢ng tác giăa h¿t nhân và đián 2 Ā(Ā+3) tā. Sá h¿ng Āħ0 [þ2 2 ] mô tÁ sự thay đåi hình d¿ng cąa giÃng thà trong khi 2 năng l°āng trung bình cąa lßp vß là không đåi. GiÁi ph°¢ng trình 1.1 ta thu đ°āc các giá trá vÅ trá riêng: 3 Ā(Ā+3) (1.4 hiÇn thá các mćc năng l°āng vßi các thông sá U khác nhau theo đ¢n vá Ā2þ+2 h0.  = là mát sá l°āng tā cąa các giÃng thà hình cÅu đã biÃn đåi.

Bằng cách thay 2 đåi thông sá U tÿ 0 đÃn 0,1 có thÇ làm phẳng đáy giÃng thà mát cách hiáu quÁ. S¢ đã điÅn đÅy các mćc năng l°āng cąa nano cluster Na40 theo mô hình cÃu trúc vß đián tā [16]. Đái vßi mát giÃng thà hình vuông, cÃu hình vß đián tā đ°āc phát triÇn theo trình tự nh° sau: 1s21p61d102s21f142p61g182d101h223s22f141i263p6 & (1.3) Ćng vßi mßi cÃu hình đián tā cąa nguyên tā th°áng tãn t¿i các tr¿ng thái đián tā có năng l°āng khác nhau. Chß sá trên cho biÃt mćc đá suy biÃn cąa mßi mćc năng l°āng.

CÃu hình vß đián tā trong giÃng thà hình vuông phù hāp vßi các đặc điÇm chính cąa nano cluster kim lo¿i NaN. Khi các lßp vß này đ°āc lÃp đÅy, các nano cluster chća 2, 8, 20, 40, & t°¢ng ćng vßi 1s2 / 1p6 / 1d102s2 / 1f142p trã nên rÃt ån 10 đánh. Trên thực tÃ, giÃng thà có U = 0 là mô hình gÅn đúng ćng vßi hÅu hÃt các nano cluster d¿ng cÅu có kích th°ßc nhß, chća ít h¢n 20 nguyên tā. Mô hình vỏ elip Clemanger-Nilsson Mát h¿n chà cąa mô hình cÃu trúc đián tā đ¢n giÁn cąa nano cluster là chß có thÇ mô tÁ gÅn đúng vßi các nano cluster nhß có cÃu trúc đái xćng và lßp vß đián tā điÅn đÅy.

Nội dung được bảo vệ bản quyền — Tải xuống đầy đủ

Bài viết "Nghiên cứu tương tác điện tử trong hệ nano cluster hợp kim Au9M2MSCN và AgNCRN2 12" cung cấp cái nhìn sâu sắc về các tương tác điện tử trong các hệ nano cluster hợp kim, đặc biệt là trong các ứng dụng công nghệ nano. Nghiên cứu này không chỉ làm rõ các đặc tính điện tử của các hợp kim này mà còn mở ra hướng đi mới cho việc phát triển vật liệu nano trong các lĩnh vực như cảm biến, xúc tác và y sinh. Độc giả sẽ tìm thấy những thông tin quý giá về cách mà các hệ nano này có thể cải thiện hiệu suất trong các ứng dụng thực tiễn.

Nếu bạn muốn mở rộng kiến thức của mình về vật liệu nano, hãy tham khảo thêm các bài viết như Luận án tiến sĩ nghiên cứu tổng hợp vật liệu nano mangan oxit sát oxit trên graphen oxit dạng khử ứng dụng xử lí một số chất màu hữu cơ và hoá chất bảo vệ thực vật trong môi trường nước, nơi bạn có thể tìm hiểu về ứng dụng của vật liệu nano trong xử lý môi trường. Bên cạnh đó, bài viết Luận án tiến sĩ nghiên cứu tổng hợp đặc trưng và đánh giá hoạt tính quang xúc tác của các hệ vật liệu tổ hợp trên cơ sở nano tio2 cnt zno sio2 sẽ giúp bạn hiểu rõ hơn về hoạt tính quang xúc tác của vật liệu nano. Cuối cùng, bài viết Luận văn thạc sĩ biến tính zno nano bởi mangan làm chất quang xúc tác phân hủy phẩm màu hữu cơ dưới ánh sáng trông thấy sẽ cung cấp thêm thông tin về ứng dụng của vật liệu nano trong việc phân hủy chất ô nhiễm. Những tài liệu này sẽ giúp bạn có cái nhìn toàn diện hơn về lĩnh vực nghiên cứu vật liệu nano.