I. Các tính chất điện tử của graphene
Graphene, một cấu trúc nano độc đáo, có tính chất điện tử vượt trội nhờ vào cấu trúc tinh thể đặc biệt của nó. Cấu trúc này được hình thành từ các nguyên tử carbon sắp xếp theo dạng mạng tổ ong hai chiều. Các nguyên tử carbon trong graphene có sự lai hóa sp2, tạo ra các liên kết σ và π, cho phép electron di chuyển tự do. Điều này dẫn đến tính chất dẫn điện cao, với quãng đường tự do trung bình của hạt tải có thể lên tới 1 µm. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng graphene có thể hoạt động như một vật liệu lý tưởng cho các ứng dụng trong công nghệ điện tử, nhờ vào khả năng điều khiển nồng độ hạt tải thông qua các điện cực tiếp xúc. Tính chất điện của graphene không chỉ phụ thuộc vào cấu trúc mà còn vào các hiệu ứng vật lý như hiệu ứng Hall lượng tử dị thường và hiện tượng chui ngầm Klein.
1.1. Cấu trúc tinh thể và cấu trúc vùng của graphene
Cấu trúc tinh thể của graphene là một trong những yếu tố quyết định tính chất điện tử của nó. Mạng tổ ong hai chiều của graphene được hình thành từ các nguyên tử carbon, tạo ra các liên kết σ và π. Các quỹ đạo lai hóa sp2 của nguyên tử carbon tạo nên các liên kết mạnh mẽ, cho phép electron di chuyển tự do trong mạng. Điều này dẫn đến tính chất dẫn điện cao, với khả năng truyền dẫn điện vượt trội so với các vật liệu khác. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng graphene có thể hoạt động như một vật liệu lý tưởng cho các ứng dụng trong công nghệ điện tử, nhờ vào khả năng điều khiển nồng độ hạt tải thông qua các điện cực tiếp xúc. Tính chất điện của graphene không chỉ phụ thuộc vào cấu trúc mà còn vào các hiệu ứng vật lý như hiệu ứng Hall lượng tử dị thường và hiện tượng chui ngầm Klein.
II. Các phương pháp tính toán
Trong nghiên cứu về tính chất điện của graphene, các phương pháp tính toán đóng vai trò quan trọng. Phương pháp ma trận truyền qua (T-ma trận) là một trong những phương pháp phổ biến được sử dụng để tính toán các đặc trưng truyền dẫn điện. Phương pháp này cho phép tính toán xác suất truyền qua, điện trở, và các đặc trưng khác của hệ thống graphene. Bên cạnh đó, phương pháp tính dòng và độ dẫn cũng được áp dụng để phân tích các đặc tính điện tử của graphene. Các nghiên cứu lý thuyết đã chỉ ra rằng việc sử dụng mô hình rào thế dạng Gauss có thể mô tả chính xác hơn các đặc tính truyền dẫn điện trong các cấu trúc chuyển tiếp lưỡng cực graphene. Điều này giúp hiểu rõ hơn về cơ chế truyền dẫn đạn đạo qua các cấu trúc nano graphene.
2.1. Phương pháp ma trận truyền qua
Phương pháp ma trận truyền qua (T-ma trận) là một công cụ mạnh mẽ trong việc nghiên cứu các tính chất điện tử của graphene. Phương pháp này cho phép tính toán các đại lượng như xác suất truyền qua, điện trở và dòng điện trong các cấu trúc nano. Đặc biệt, trong các nghiên cứu về chấm lượng tử graphene, T-ma trận giúp xác định các trạng thái giả liên kết và mật độ trạng thái địa phương. Việc áp dụng phương pháp này trong nghiên cứu graphene đã mang lại những kết quả lý thuyết có giá trị, cho phép so sánh với các kết quả thực nghiệm. Từ đó, các nhà nghiên cứu có thể hiểu rõ hơn về cơ chế truyền dẫn điện trong các cấu trúc nano graphene.
III. Chuyển tiếp n p n graphene với rào thế dạng Gauss
Chuyển tiếp n-p-n graphene là một trong những cấu trúc quan trọng trong nghiên cứu tính chất điện của graphene. Việc sử dụng mô hình rào thế dạng Gauss cho phép mô tả chính xác hơn các đặc tính truyền dẫn điện trong các cấu trúc này. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng, bằng cách thay đổi điện thế trên các điện cực, có thể tạo ra các vùng giàu điện tử hoặc lỗ trống, từ đó hình thành nên các loại chuyển tiếp khác nhau. Đặc trưng truyền dẫn điện của các chuyển tiếp này phụ thuộc chủ yếu vào dạng thế tại các miền chuyển tiếp. Các nghiên cứu lý thuyết đã chỉ ra rằng mô hình rào thế dạng Gauss có thể mô tả chính xác hơn so với các mô hình truyền thống như thế chữ nhật hay hình thang.
3.1. Mô hình chuyển tiếp n p n
Mô hình chuyển tiếp n-p-n graphene được xây dựng dựa trên việc điều khiển nồng độ hạt tải thông qua các điện cực tiếp xúc. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng, bằng cách thay đổi điện thế trên các điện cực, có thể tạo ra các vùng giàu điện tử hoặc lỗ trống, từ đó hình thành nên các loại chuyển tiếp khác nhau. Đặc trưng truyền dẫn điện của các chuyển tiếp này phụ thuộc chủ yếu vào dạng thế tại các miền chuyển tiếp. Mô hình rào thế dạng Gauss cho phép mô tả chính xác hơn các đặc tính truyền dẫn điện trong các cấu trúc này, giúp hiểu rõ hơn về cơ chế truyền dẫn đạn đạo qua chuyển tiếp n-p-n graphene.
IV. Chấm lượng tử graphene hình tròn tạo bởi thế tĩnh điện
Chấm lượng tử graphene là một cấu trúc nano quan trọng, mở ra khả năng nghiên cứu chi tiết và vận hành các hệ lượng tử đơn lẻ. Việc tạo ra các vùng giam cầm electron trên tấm graphene thông qua các điện cực có kích thước nano cho phép nghiên cứu các tính chất điện tử độc đáo của chấm lượng tử graphene. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng, do hiệu ứng chui ngầm Klein, việc giam cầm hoàn toàn hạt tải trong chấm lượng tử graphene là không dễ dàng. Tuy nhiên, việc xác định thời gian sống của các hạt tải trong chấm lượng tử graphene là tối quan trọng để có thể thiết kế các thiết bị điện tử dựa trên chấm lượng tử graphene vận hành đúng mong muốn.
4.1. Phương pháp T ma trận cho chấm lượng tử graphene hình tròn
Phương pháp T-ma trận được áp dụng để nghiên cứu các tính chất điện tử của chấm lượng tử graphene hình tròn. Phương pháp này cho phép tính toán mật độ trạng thái địa phương và các hệ số tán xạ, từ đó xác định các trạng thái giả liên kết của các electron trong chấm lượng tử graphene. Việc áp dụng phương pháp này trong nghiên cứu chấm lượng tử graphene đã mang lại những kết quả lý thuyết có giá trị, cho phép so sánh với các kết quả thực nghiệm. Từ đó, các nhà nghiên cứu có thể hiểu rõ hơn về cơ chế giam cầm hạt tải trong chấm lượng tử graphene và thiết kế các thiết bị điện tử dựa trên cấu trúc này.
