Luận án TS: Cấu trúc, nhiệt động học germanene 2D bằng mô phỏng - Nguyễn Hoàng Giang

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA NGUYỄN HOÀNG GIANG KHẢO SÁT CẤU TRÚC VÀ TÍNH CHẤT NHIỆT ĐỘNG HỌC CỦA VẬT LIỆU HAI CHIỀU GERMANENE BẰNG PHƯƠNG PHÁP MÔ PHỎNG LUẬN ÁN TIẾN SĨ THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH – NĂM 2024 ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA NGUYỄN HOÀNG GIANG KHẢO SÁT CẤU TRÚC VÀ TÍNH CHẤT NHIỆT ĐỘNG HỌC CỦA VẬT LIỆU HAI CHIỀU GERMANENE BẰNG PHƯƠNG PHÁP MÔ PHỎNG Chuyên ngành: VẬT LÝ KỸ THUẬT Mã số chuyên ngành: 62520401 Phản biện độc lập: Phản biện độc lập: Phản biện: PGS. Phạm Thị Thu Hiền Phản biện: PGS.

Võ Văn Ớn Phản biện: TS. Đỗ Huy Bình NGƯỜI HƯỚNG DẪN: GS. Võ Văn Hoàng LỜI CAM ĐOAN Nghiên cứu sinh xin cam đoan luận án này là công trình nghiên cứu của riêng nghiên cứu sinh dưới sự hướng dẫn của GS. Các số liệu, hình vẽ, đồ thị liên quan đến các kết quả nghiên cứu sinh thu được trong luận án này là hoàn toàn trung thực, khách quan.

Tác giả luận án Nguyễn Hoàng Giang i TÓM TẮT LUẬN ÁN Thời gian gần đây, vật liệu hai chiều (2D) nhận được nhiều sự quan tâm từ các nhà khoa học trong và ngoài nước, đặc biệt là những vật liệu 2D có độ rộng vùng cấm như germanene. Tuy nhiên đến nay, các công bố liên quan đến quá trình chuyển pha của vật liệu germanene vẫn còn hạn chế, các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình hình thành vật liệu này chưa được khảo sát chi tiết, thậm chí nhiệt độ chuyển pha của germanene vẫn chưa được tìm hiểu, loại chuyển pha vẫn chưa được xác định. Bên cạnh đó, cấu trúc vi mô, các dạng khuyết tật, hay germanene có tồn tại ở trạng thái vô định hình hay không vẫn chưa được khảo sát tường tận. Trong nghiên cứu này, quá trình chuyển pha của vật liệu germanene được khảo sát chi tiết thông qua phương pháp mô phỏng Động lực học phân tử.

Nghiên cứu thu được nhiều kết quả mới đã giải quyết được các vấn đề tồn đọng trên. Đầu tiên, quá trình hình thành vật liệu germanene đã khảo sát chi tiết bằng cách làm lạnh từ trạng thái lỏng. Căn cứ vào sự thay đổi tính chất nhiệt động học và cấu trúc cho thấy nhiệt độ tinh thể hóa của vật liệu germanene được xác định là 1340 K, quá trình chuyển pha của vật liệu này là chuyển pha loại I. Kết quả thu được từ quá trình làm lạnh là mô hình có cấu trúc dạng lục giác tổ ong.

Tuy nhiên mô hình thu được chưa hoàn hảo vì có chứa một số ít khuyết tật như Stone-Wales và khuyết tật mất nguyên tử. Mô hình thu được này được gọi là đa tinh thể germanene. Sau đó, quá trình nóng chảy của vật liệu 2D germanene đơn tinh thể và đa tinh thể đã được khảo sát và phân tích chi tiết. Nhiệt độ nóng chảy của màng đơn tinh thể và đa tinh thể là khác nhau lần lượt: 1670 K và 1540 K.

Mặc dù nhiệt độ chuyển pha là khác nhau, tuy nhiên loại chuyển pha giống nhau, đều là chuyển pha loại I. Các khuyết tật chủ đạo trong quá trình nóng chảy là khuyết tật Stone-Wales. Ngoài ra, sự ảnh hưởng của tốc độ làm lạnh lên quá trình hình thành vật liệu germanene đã được khảo sát chi tiết. Tùy vào mỗi tốc độ làm lạnh, mô hình thu được là tinh thể hoặc vô định hình.

Khi tốc độ làm lạnh chậm, mô hình sẽ ít xuất hiện khuyết tật ii hơn. Thông qua nghiên cứu này đã xác định được nhiệt độ chuyển pha vô định hình là 1210 K ứng với tốc độ 1013 Ks −1. Bên cạnh đó, mô hình germanene vô định hình thu được tại 300 K đã được phân tích chi tiết. Cuối cùng, sự ảnh hưởng của kích thước mô hình lên sự hình thành vật liệu germanene đã được khảo sát.

Kết quả cho thấy, kích thước của mô hình sẽ ảnh hưởng đến nhiệt độ chuyển pha, đối với mô hình có kích thước lớn từ 6400 nguyên tử, vùng nhiệt độ chuyển pha rộng hơn. Báo cáo cũng cho thấy, các đại lượng như phân bố số phối vị và kích thước vòng chịu sự ảnh hưởng của kích thước từng mô hình, đặc biệt là sự tồn tại khuyết tật của mô hình. iii ABSTRACT Recently, two-dimensional (2D) materials have received a lot of attention from domestic and scientists around the world, especially 2D materials with a band gap such as germanene. However, up to now, publications related to the phase transition process of germanene material are still limited, the factors affecting the formation process of this material have not been investigated in detail, and even the phase transition temperature of germanene has not yet been understood, the type of phase transition has not yet been determined.

Besides, the microstructure, defect types, or the existance of amorphous germanene have not been thoroughly investigated. In this study, the phase transition process of the germanene is investigated in detail using Molecular dynamics simulation. The study obtained many new, previously unpublished results, solving the above outstanding problems. First, the formation process of the material germanene was investigated in detail by cooling from liquid state.

Based on the change in thermodynamics and structural properties, the crystallization temperature of germanene is determined at 1340 K, the phase transition exhibits the first type transition. The results of the cooling process show a honeycomb hexagonal of germanene. However, the final honeycomb hexagonal germanene is not perfect because it contains a few defects such as Stone- Wales and vacancies. This resulting germanene called polycrystalline germanene.

Besides, the melting process of monocrystalline and polycrystalline germanene was investigated in detail. The melting temperatures of monocrystalline and polycrystalline germanene are different: 1670 K for single crystalline and 1540 K for polycrystalline. Although the phase transition temperature is different, the phase transition type is the same, both are the first type transition. The main defects in the melting process of germanene are Stone-Wales defects.

In addition, the influence of cooling rate on the formation of germanene was investigated in detail. For each cooling rate, there will be a different phase change iv temperature. The resulting configuration can be crystalline or amorphous depending on the cooling rate. When the cooling rate is slow, the configuration will have fewer defects.

The results show that the amorphous phase transition temperature is 1210 K corresponding to the cooling rate of 1013 Ks −1. In addition, amorphous germanene obtained at 300 K was analyzed in detail. Finally, the influence of configuration size on the formation of germanene was investigated. The results show that the size of the configuration will affect the phase transition temperature.

As for configuration containing greater than or equal to 6400 atoms, the temperature zone of the phase transition process is wide. The study also shows that quantities such as the distribution of coordination numbers and ring size are influenced by the number of atom of each configuration, especially the existence of defects in the configuration. v LỜI CẢM ƠN Đầu tiên, nghiên cứu sinh xin gởi lời cảm ơn sâu sắc đến GS. Võ Văn Hoàng đã tận tình chỉ dẫn về phương pháp học tập, kiến thức chuyên môn và nghiên cứu khoa học trong suốt quá trình làm luận án.

Chân thành cảm ơn thầy đã kiên nhẫn, từng bước vun đắp kỹ năng làm việc, những định hướng, cung cấp nhiều tài liệu quý báu cùng lời động viên, khích lệ, giúp nghiên cứu sinh hoàn thành tốt luận án cũng như trưởng thành trong nghiên cứu khoa học. Bên cạnh đó, Thầy đã hỗ trợ toàn bộ học phí và chi phí cho nghiên cứu sinh trong suốt quá trình làm luận án, nhờ nguồn hỗ trợ quý báu này giúp nghiên cứu sinh an tâm và tập trung để hoàn thành luận án một cách tốt nhất. Xin chân thành cảm ơn các anh chị và các bạn trong nhóm Vật lý tính toán, đặc biệt là PGS.TS Nguyễn Thị Thúy Hằng và PGS. Trần Thị Thu Hạnh đã giúp đỡ và hỗ trợ về mặt chuyên môn cũng như kinh nghiệm cho nghiên cứu sinh hoàn thành luận án.

Xin chân thành cảm ơn PGS. Đỗ Ngọc Sơn, Trưởng Phòng thí nghiệm Vật lý tính toán đã hỗ trợ không gian làm việc cũng như cơ sở vật chất tại phòng thí nghiệm Vật lý tính toán, Khoa Khoa học ứng dụng, trường Đại học Bách Khoa, thành phố Hồ Chí Minh. Xin chân thành cảm ơn GS. Tô Quý Đông trường Đại học Paris-Est (Pháp) và GS.

Vladimir Bubanja trường Đại học Otago, New Zealand đã cho nghiên cứu sinh sử dụng hệ máy tính của trường để tính toán khi hệ máy tại phòng không hoạt động. Bên cạnh đó, nghiên cứu sinh chân thành cảm ơn Tập đoàn Vingroup – Công ty CP, Quỹ Đổi mới sáng tạo Vingroup (VINIF), Viện Nghiên cứu Dữ liệu lớn (VINBIGDATA) đã cấp học bổng xuất sắc trong học tập và nghiên cứu khoa học cho nghiên cứu sinh. Cuối cùng, nghiên cứu sinh xin gửi lời cảm ơn chân thành đến người thân trong gia đình, bạn bè, những người luôn quan tâm, động viên khích lệ học viên trong học tập và trong cuộc sống. Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2024 Nguyễn Hoàng Giang vi MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN.

vi MỤC LỤC .vii DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ. ix DANH MỤC BẢNG BIỂU. xiii DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT. xiv MỞ ĐẦU.

1 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN. Các nghiên cứu liên quan quá trình tổng hợp germanene. Các nghiên cứu ứng dụng của germanene. Các nghiên cứu tính chất nhiệt động của các vật liệu hai chiều tương tự germanene.

ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN. Phương pháp mô phỏng MD. Chi tiết tính toán và quá trình mô phỏng. Chi tiết tính toán.

Quá trình mô phỏng. Khảo sát quá trình hình thành màng tinh thể vật liệu germanene. Khảo sát tính chất nhiệt động học và sự thay đổi cấu trúc của quá trình làm lạnh. Cấu trúc chi tiết của mô hình tại 300 K.

Kết luận và hướng phát triển quá trình khảo sát sự hình thành màng tinh thể vật liệu germanene. Khảo sát quá trình nóng chảy vật liệu vật liệu germanene đơn tinh thể và đa tinh thể. Khảo sát tính chất nhiệt động học và sự thay đổi cấu trúc của quá trình nóng chảy. Sự thay đổi cấu trúc của hai mô hình trong quá trình nóng chảy.

Kết luận và hướng phát triển của quá trình khảo sát sự nóng chảy vật liệu germanene tinh thể và đa tinh thể. Khảo sát sự ảnh hưởng của tốc độ làm lạnh lên quá trình hình thành màng vật liệu germanene- germanene vô định hình. Sự thay đổi cấu trúc và tính chất nhiệt động học trong quá trình làm lạnh. Cấu trúc vật liệu germanene vô định hình thu được tại 300 K.

Kết luận và hướng phát triển của quá trình khảo sát sự ảnh hưởng của tốc độ làm lạnh lên sự hình thành vật liệu germanene. Khảo sát sự ảnh hưởng của kích thước lên quá trình hình thành màng vật liệu germanene .