Luận án tiến sĩ: Tính chất điện tử vật liệu ngũ giác - Nghiên cứu tại Đại học Cần Thơ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ TRẦN YẾN MI NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT ĐIỆN TỬ VÀ HIỆN TƯỢNG TRUYỀN DẪN ĐIỆN TỬ CỦA MỘT SỐ HỆ VẬT LIỆU DẠNG NGŨ GIÁC BẰNG PHƯƠNG PHÁP MÔ PHỎNG LUẬN ÁN TIẾN SĨ CHUYÊN NGÀNH VẬT LÝ LÝ THUYẾT VÀ VẬT LÝ TOÁN MÃ SỐ 9440103 NĂM 2022 luan an BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ TRẦN YẾN MI MÃ SỐ NCS: P1919002 NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT ĐIỆN TỬ VÀ HIỆN TƯỢNG TRUYỀN DẪN ĐIỆN TỬ CỦA MỘT SỐ HỆ VẬT LIỆU DẠNG NGŨ GIÁC BẰNG PHƯƠNG PHÁP MÔ PHỎNG LUẬN ÁN TIẾN SĨ CHUYÊN NGÀNH VẬT LÝ LÝ THUYẾT VÀ VẬT LÝ TOÁN MÃ SỐ 9440103 NGƯỜI HƯỚNG DẪN PGS. NGUYỄN THÀNH TIÊN TS. ĐẶNG MINH TRIẾT NĂM 2022 luan an CHẤP THUẬN CỦA HỘI ĐỒNG Luận án này với tựa đề là “NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT ĐIỆN TỬ VÀ HIỆN TƯỢNG TRUYỀN DẪN ĐIỆN TỬ CỦA MỘT SỐ HỆ VẬT LIỆU DẠNG NGŨ GIÁC BẰNG PHƯƠNG PHÁP MÔ PHỎNG”, do nghiên cứu sinh Trần Yến Mi thực hiện theo sự hướng dẫn của PGS. Nguyễn Thành Tiên và TS.

Đặng Minh Triết. Luận án đã báo cáo và được Hội đồng đánh giá luận án tiến sĩ thông qua ngày: …/…/…. Luận án đã được chỉnh sửa theo góp ý và được Hội đồng đánh giá luận án xem lại. Thư ký Ủy viên Ủy viên Phản biện 3 Phản biện 2 Phản biện 1 Người hướng dẫn 1 Người hướng dẫn 2 Chủ tịch Hội đồng i luan an Để có thể hoàn thành quyển luận án NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT ĐIỆN TỬ VÀ HIỆN TƯỢNG TRUYỀN DẪN ĐIỆN TỬ CỦA MỘT SỐ HỆ VẬT LIỆU DẠNG NGŨ GIÁC BẰNG PHƯƠNG PHÁP MÔ PHỎNG, tôi xin được gửi lời cảm ơn đến: Tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến sự giúp đỡ và hướng dẫn của PGS.

Nguyễn Thành Tiên, cùng TS. Đặng Minh Triết đã giúp tôi định hình hướng nghiên cứu và hoàn thành luận án. Hơn thế nữa, tôi xin gửi lời cảm ơn đến trường Đại học Cần Thơ đã tạo mọi điều kiện thuận lợi để tôi thực hiện đúng tiến trình phấn đấu cá nhân. Đồng thời, tôi xin được gửi lời cảm ơn chân thành đến các Giảng viên là PGS.

Nguyễn Thanh Phong, PGS. Vũ Thanh Trà, TS. Huỳnh Anh Huy, PGS. Phạm Vũ Nhật và học viên cao học Võ Trung Phúc thuộc trường Đại học Cần Thơ đã luôn đồng hành cùng tôi trong mọi khó khăn của nhiệm vụ học tập này.

Bên cạnh đó, tôi xin gửi lời cảm ơn trân trọng nhất đến Bộ môn Vật lý, Khoa Khoa Học Tự Nhiên, bạn bè và gia đình đã tạo cho tôi cơ hội học tập và động lực để thực hiện thành công nhiệm vụ quan trọng và đam mê này. Trên tất cả, tôi kính dâng thành quả này đến người cha quá cố, ông Trần Diêu, người mà suốt đời đã đánh đổi tất cả chỉ vì việc học và tương lai của các con. Cần Thơ, ngày 05 tháng 9 năm 2022 Trần Yến Mi ii luan an TÓM TẮT LUẬN ÁN NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT ĐIỆN TỬ VÀ HIỆN TƯỢNG TRUYỀN DẪN ĐIỆN TỬ CỦA MỘT SỐ HỆ VẬT LIỆU DẠNG NGŨ GIÁC BẰNG PHƯƠNG PHÁP MÔ PHỎNG Dựa vào phương pháp mô phỏng DFT (Lý thuyết phiếm hàm mật độ điện tử) và phương pháp mô phỏng NEGF-DFT (Hàm Green không cân bằng kết hợp Lý thuyết phiếm hàm mật độ điện tử), chúng tôi quan tâm đến tính chất điện tử và truyền dẫn điện tử của nhóm vật liệu dải nano ngũ giác PG-SS, p-P2C-SS và p-SiC2-SS có hai biên răng cưa, các liên kết dư tại biên được trung hòa bằng các nguyên tử Hydro (H) và đều có các cấu trúc tiền thân thuộc nhóm đối xứng P-421m. Các kết quả nghiên cứu của chúng tôi cho thấy rằng ngay cả khi chúng có độ rộng tương đương nhau thì tính chất điện tử và truyền dẫn điện tử của chúng cũng có sự khác nhau tương đối.

Một trong các điểm khác khác nhau này được thể hiện ở sự phân bố trạng thái theo không gian ứng với các mức năng lượng lân cận mức Fermi, mức VBM (Valence Band Maximum – mức năng lượng cao nhất của vùng hóa trị) và mức CBM (Conduction Band minimum – mức năng lượng thấp nhất của vùng dẫn). Tuy vậy, chúng vẫn bảo đảm một số đặc trưng chung như: - Chúng đều là các chất bán dẫn có vùng cấm vừa phải ( 2,3 eV) và không mang từ tính. - Trạng thái điện tử ứng với mức năng lượng CBM luôn xuất hiện đáng kể tại vùng giữa của mỗi dải nano ngũ giác, và có nguồn gốc chủ yếu từ các orbital p của các nguyên tử lai hóa sp2. - Tính chất điện tử và truyền dẫn điện tử của chúng chủ yếu được quyết định bởi các trạng thái điện tử của các nguyên tử lai hóa sp2 nằm tại hai lớp nguyên tử thành phần ngoài cùng của mỗi cấu trúc.

Với tất cả các đặc trưng trên, chúng tôi nhận thấy khả năng ứng dụng của nhóm vật liệu này vào lĩnh vực cảm biến khí. Cụ thể, nghiên cứu của chúng tôi cũng cho thấy tiềm năng cảm biến khí CO, CO2 và NH3 của mô hình PG-SS được chọn làm đại diện, với một số kết quả cụ thể sau: - Mô hình PG-SS có khả năng bị thay đổi mạnh tính chất điện tử và truyền dẫn điện tử khi các phân tử khí được hấp phụ ngay trên liên kết giữa hai nguyên tử lai hóa sp2. Tuy nhiên, điều này còn phụ thuộc vào loại nguyên tử được hấp phụ. - Mô hình PG-SS có khả năng cảm biến tốt phân tử CO và NH3, tuy nhiên không phù hợp để cảm biến phân tử CO2.

iii luan an - Đặc biệt, việc ứng dụng đế PG-SS trong cảm biến phân tử NH3 còn có ưu điểm vượt trội về khả năng hồi phục linh kiện, do liên kết giữa PG-SS và NH3 chỉ là liên kết vật lý. Các kết quả nghiên cứu của luận án góp phần làm sáng tỏ tính chất điện tử và truyền dẫn điện tử của nhóm vật liệu dải nano ngũ giác xuất phát từ các cấu trúc hai chiều tiền thân có cùng nhóm đối xứng P-421m, có hai biên răng cưa với các liên kết dư tại biên được trung hòa bởi các nguyên tử H, có cấu trúc phẳng, là chất bán dẫn có vùng cấm xiên vừa phải và không mang từ tính, PG-SS, p-P2C-SS và p-SiC2-SS. Dựa vào các đặc tính nổi bật này, chúng tôi tin tưởng rằng chúng có khả năng ứng dụng để chế tạo các cảm biến khí. Về khía cạnh học thuật, luận án góp phần bổ sung vào mảng kiến thức liên quan đến tính chất điện tử và truyền dẫn điện tử của nhóm vật liệu cấu trúc nano.

Từ khóa: dải nano ngũ giác, PG-SS, p-P2C-SS, p-SiC2-SS, tính chất điện tử, tính chất truyền dẫn điện tử. iv luan an ABSTRACT RESEARCH ON ELECTRONIC AND ELECTRONIC TRANSPORT PROPERTIES OF SOME PENTAGONAL NANORIBBON MATERIALS BY SIMULATION METHODS Based on DFT and NEGF-DFT simulation methods, we pay attention to the electronic and electronic transport properties of pentagonal nanoribbon samples, PG- SS, p-P2C-SS and p-SiC2-SS. These models have sawtooth edges with dangling bond atoms neutralized by H ones and their precursors pose P-421m symmetry. Although having the similar widths, these nanoribbons are quite different in electronic and electronic transmission properties.

One of these differences is the spatial distributions of many electronic states which are in Valence Band Maximum (VBM) and Conduction Band minimum (CBM) states. However, they also have many similar characteristics: - All of them are moderate indirect band gap and non-magnetic semiconductors. - The conduction band maximum (CBM) states of all these samples have a major contribution from the sp2 hybridized atoms in non-edge regions. - The outermost layer atoms (sp2-hybridized atoms) in each sample play an important role in both electronic and electronic transport properties.

According to these wonderful characteristics, we prove that these pentagonal nanoribbon models could become gas sensors. In details, we make a research on CO, CO and NH3 gas sensing capabilities of the PG-SS model, which is representative. As a result, we get these following conclusions: - The electronic and electronic transport properties of PG-SS could be significantly affected of CO, CO2 and NH3 molecules absorbed right above sp2- hybridized atom bondings. - PG-SS-based sensor is an excellent candidate for detecting CO and NH3 molecules, but it is not suitable for CO2 adsorption.

- In particular, PG-SS-based gas sensor could be restored in NH3 adsorption, because the interation between them is only physical. In conclusions, these findlings contribute to clarifying the electronic and electronic transmission properties of pentagonal nanoribbon models which have sawtooth edges with dangling bond atoms neutralized by H ones and their precursors pose P-421m symmetry. Based on these results, we optimistically believe that these models could be used in the manufacture of gas sensors. About the academic aspect, these discoveries contribute to elucidate the physical properties of nanometer-structured materials.

v luan an Key-words: pentagonal nanoribbons, PG-SS, p-P2C-SS, p-SiC2-SS, electronic properties, electronic transport properties. vi luan an LỜI CAM ĐOAN Tôi tên là Trần Yến Mi, là NCS ngành Vật lý lý thuyết và Vật lý toán, khóa 2019. Tôi xin cam đoan luận án này là công trình nghiên cứu khoa học thực sự của bản thân tôi dưới sự hướng dẫn của PGS. Nguyễn Thành Tiên và TS.

Đặng Minh Triết. Các thông tin được sử dụng tham khảo trong đề tài luận án được thu thập từ các nguồn đáng tin cậy, đã được kiểm chứng, được công bố rộng rãi và được tôi trích dẫn nguồn gốc rõ ràng ở phần Tài liệu tham khảo. Các kết quả nghiên cứu được trình bày trong luận án này là do chính tôi thực hiện một cách nghiêm túc, trung thực và không trùng lắp với các đề tài khác đã được công bố trước đây. Tôi xin lấy danh dự và uy tín của bản thân để đảm bảo cho lời cam đoan này.

Cần Thơ, ngày tháng năm Người hướng dẫn chính Người thực hiện Nguyễn Thành Tiên Trần Yến Mi Người hướng dẫn phụ Đặng Minh Triết vii luan an MỤC LỤC Danh mục viết tắt. xiii Danh sách hình .……………………………………………………………… xiv Danh sách bảng .……………………………………………………………… xxiii 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……………………………………. 21 viii luan an 3.2 Phương pháp mô phỏng DFT……………………………………………….1 Bộ hàm cơ sở…………………………………………………………….4 Cách vận hành chương trình mô phỏng DFT…………………………….