Ảnh hưởng của biến dạng lên tính chất điện tử và quang học của vật liệu hai chiều Janus HfSeO

Nghiên cứu "Ảnh hưởng của biến dạng lên tính chất điện tử và quang học của vật liệu hai chiều Janus HfSeO" cho thấy 2D Janus HfSeO có năng lượng vùng cấm gián tiếp, có giá trị gần 2.12 eV. Cấu trúc 1T của HfSeO có độ bền cơ học, ít giòn với mô đun Young bằng 117.365 N/m. Hệ số Poisson cao 0.256, giúp đơn lớp HfSeO phản ứng tốt dưới tác dụng của biến dạng nén. Mời các bạn cùng tham khảo!
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Ảnh hưởng của biến dạng lên tính chất điện tử và quang học của vật liệu hai chiều Janus HfSeO Ảnh hưởng của Biến dạng lên tính chất Điện tử và Quang học của vật liệu hai chiều Janus HfSeO Võ Duy Đạt1, Võ Văn Ơn1*, Cao Thị Thu Hương2, Lâm Tấn Phát3 1 Nhóm Vật Lý Tính Toán và Mô Phỏng Vật Liệu Tiên Tiến, Viện Phát Triển Ứng Dụng, Trường Đại học Thủ Dầu Một 2 Bộ Môn Hóa Học, Trường THPT Chuyên Tiền Giang 3 Bộ Môn vật lý, Trường THPT Chuyên Tiền Giang * Corresponding author Email address: onvv@tdmu.edu.vn, voduydat@tdmu.edu.vn, caothithuhuongch@gmail.com, lamtanphat1802@gmail.com Tóm tắt Vật liệu hai chiều bất đối xứng HfSeO được nghiên cứu bằng phương pháp tính toán từ các định luật ban đầu, sử dụng giả thế PBE, HSE06 và phương pháp bán thực nghiệm DFT-D3. Kết quả nghiên cứu cho thấy 2D Janus HfSeO có năng lượng vùng cấm gián tiếp, có giá trị gần 2.12 eV. Cấu trúc 1T của HfSeO có độ bền cơ học, ít giòn với mô đun Young bằng 117.365 N/m. Hệ số Poisson cao 0.256, giúp đơn lớp HfSeO phản ứng tốt dưới tác dụng của biến dạng nén. Đồng thời cấu trúc điện tử bề mặt bất đối xứng giúp cho các tính chất quang học của HfSeO tăng cao dưới tác dụng nén. Giúp khả năng hấp thu ánh sáng cao hơn, mở rộng vùng hấp thu ra khu vực hồng ngoại, đồng thời nâng cao tỷ lệ hấp thu ở khu vực cực tím. Ngoài ra, độ linh động điện tích của HfSeO cũng được dự đoán sẽ tăng. Trong khi đó biến dạng kéo dãn làm tăng năng lượng vùng cấm, giảm độ linh động điện tích và khả năng hấp thu ánh sáng. Abstract The properties of 2D asymmetric HfSeO were investigated by applying first-principles calculations, where the two pseudopotentials PBE, and HSE06 were used together with the semi- empirical method DFT-D3. The calculation shows that the 2D Janus HfSeO has an indirect band gap of about 2.12 eV. The 1T geometry of HfSeO with a Young’s modulus of 117.365 N/m is dynamically stable, and it is less brittle in comparison to the HfS2 monolayer. The slightly high Poisson’s ratio of 0.256 causes HfSeO to better respond to the compressive strains. At the same time, the asymmetric surface electronic structure results in the significant enhancement of optical properties under compression. For details, the absorption rate α(ω) of compressed HfSeO is higher in both infrared, visible, and ultra-violet regions, while the intensity of α(ω) is also increased. Moreover, the charge carrier mobility is also expected to increase. Meanwhile, the tensile strains tend to enlarge the band gap, the charge carrier mobility, and optical properties are degraded. 41 1. GIỚI THIỆU Ngày nay, sự tiến bộ mạnh mẽ của khoa học kỹ thuật đang giúp chất lượng cuộc sống tăng cao đồng thời cũng đặt ra nhiều thách thức. Trong đó sự xuống cấp của môi trường sống có liên quan mật thiết với sự tiêu thụ năng lượng quá mức và lượng chất thải mà môi trường phải gánh chịu. Do đó, có hai nhu cầu cấp thiết đặt ra là nguồn năng lượng tái tạo phải được tăng mạnh, đồng thời các thiết bị mới phải tiêu thu ít năng lượng hơn, hiệu suất cao hơn và thân thiện với môi trường hơn. Vật liệu tiên tiến trở thành cốt lõi của các giải pháp kỹ thuât cho vấn đề này. Trong đó, đặt biệt là thế hệ vật liệu hai chiều (2D) với các đặt tính như độ dẫn điện, diện tích bề mặt cao, khả năng lai ghép tạo thành các dị cấu trúc mang lại rất nhiều lợi ích trong công nghệ năng lượng mặt trời, năng lượng hydro từ quá trình tách nước, sự chuyển hóa điện nhiệt năng [1–6]. Ngoài ra vật liệu 2D còn hứa hẹn tạo ra các transistor mạnh mẽ hơn, kích thước nhỏ hơn giúp tiêu thu ít điện năng nhưng hiệu suất cao hơn [7–12]. Hiện nay, nhóm vật liệu 2D với cấu trúc bất đối xứng hay còn được gọi là 2D Janus đang thu hút nhiều sự quan tâm nghiên cứu nhờ các tính chất nổi bậc như hiêu ứng áp điện, Rashba, xúc tác tách nước, và quang điện, nhiệt điện [13–19]. Nổi bậc trong các vật liệu 2D Janus là nhóm vật liệu với công thức chung MXY (M = Mo, Zr, Ti, Hf, X/Y = Te, Se, S và O) [20–24]. Các vật liệu này có đặt điểm cấu trúc đơn giản, thành phần ít độc hại. Tuy nhiên chúng lại có cấu trúc điện tử đặc biệt và năng lượng vùng cấm phù hợp cho xúc tác tách nước chuyển hóa năng lượng mặt trời. Ngoài ra, khá nhiều hợp chất trong nhóm này đã được tổng hợp thành công trong thực nghệm như MoSSe, HfS2, ZrS2, WSSe [25–31]. Với nhiều ưu điểm về mặt thực nghiệm và ứng dung, tuy nhiên một số thành viên trong nhóm chất này vẫn chưa được nghiên cứu đầy đủ. Đặt biệt là hợp chất 2D Janus HfSeO mới chỉ được đề xuất trong một vài nghiên cứu hạn chế. Do đó, bài báo này tập trung nghiên cứu cấu hình, tính chất vật lý, điện tử và ảnh hưởng của biến dạng nén và kéo lên tính chất của vật liệu này. Nghiên cứu được thực hiện dựa trên phương pháp tính toán từ các định luật ban đầu sử dụng lý thuyết phiếm hàm mật độ DFT với tùy chọn giả thế PBE và HSE06 nhằm xét đến nhiều yếu tố cấu thành tính chất vật liệu và nâng cao độ chính xác của kết quả nghiên cứu. 2. PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN Trong nghiên cứu này các phép tính bằng phương pháp các định luật ban đầu được thực hiện bằng gói phần mềm VASP [32], trong đó tương tác giữa các hạt nhân nguyên tử Hf, O, và Se với các electron hóa trị thuộc phân lớp orbital s, p, và d được mô phỏng bởi PAW[33]. Năng lượng trao đổi tương quan được xấp xỉ bởi gradient tổng quát được tham số hóa bởi John P. Perdew, Kieron Burke, and Matthias Ernzerhof (PBE).[34] Đồng thời, phiếm hàm lai hóa HSE06 [35]cũng được sử dụng để mô tả chính xác hơn sự tương tác mạnh giữa các orbital 5d của nguyên tử Hf. Ngoài ra, lực tương tác yếu van der Waals giữa các bề mặt ...