Nghiên cứu mô phỏng động lực phân tử cấu trúc Nano xốp ZnO kênh rỗng dạng lục giác

Nghiên cứu dựa trên phương pháp lý thuyết phiếm hàm mật độ kết hợp gần đúng liên kết chặt (Density Functional Theory based Tight Binding - DFTB) để dự đoán lý thuyết một họ đa hình rỗng mới của ZnO bằng cách tiếp cận từ trên xuống. Hình thù của các thành tố cơ bản cho phép thu được họ cấu trúc nano ZnO xốp mật độ thấp với kênh rỗng hình lục giác.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Nghiên cứu mô phỏng động lực phân tử cấu trúc Nano xốp ZnO kênh rỗng dạng lục giácTẠP CHÍ KHOA HỌC TRƯỜNG ĐẠI HỌC HỒNG ĐỨC - SỐ 39.2018NGHIÊN CỨU MÔ PHỎNG ĐỘNG LỰC PHÂN TỬ CẤU TRÚCNANO XỐP ZnO KÊNH RỖNG DẠNG LỤC GIÁCNguyễn Thị Thảo1TÓM TẮTCùng với wurtzite (WZ) và zincblende, người ta đã tìm thấy một số lượng lớn oxit kẽm(ZnO) có các đa hình khác nhau với các đặc tính và ứng dụng khác nhau căn bản. Do đó,dự đoán và tổng hợp các nhóm đa hình mới của ZnO có ý nghĩa lớn và vẫn đang thu hútđược sự quan tâm nghiên cứu đáng kể. Ở đây, chúng tôi thực hiện một nghiên cứu dựa trênphương pháp lý thuyết phiếm hàm mật độ kết hợp gần đúng liên kết chặt (Density FunctionalTheory based Tight Binding - DFTB) để dự đoán lý thuyết một họ đa hình rỗng mới của ZnObằng cách tiếp cận từ trên xuống. Hình thù của các thành tố cơ bản cho phép thu được họcấu trúc nano ZnO xốp mật độ thấp với kênh rỗng hình lục giác. Tính toán của chúng tôicũng chỉ ra rằng tất cả các cấu trúc rỗng được dự đoán/thiết kế đều là chất bán dẫn có vùngcấm rộng, thẳng giống như của cấu trúc khối ZnO. Cấu trúc vùng điện tử của cấu trúc nanoxốp ZnO cũng được nghiên cứu chi tiết.Từ khóa: Nano xốp, lý thuyết phiếm hàm mật độ, chất bán dẫn.1. ĐẶT VẤN ĐỀNgày nay, các vật liệu vô cơ mở khung (nano xốp) đã nhanh chóng trở thành mộthướng nghiên cứu mạnh. Các vật liệu nano xốp đóng một vai trò quan trọng trong nhiều ứngdụng liên quan đến năng lượng và phát triển bền vững, ví dụ xúc tác, tách khí, lọc nước vàpin nhiên liệu. Theo thực nghiệm, vấn đề chính của hướng nghiên cứu vật liệu khung mở làtìm ra các vật liệu sở hữu kênh và các tính năng mà làm cho chúng thành vật liệu nano xốp,chẳng hạn các hốc cơ sở/các lồng ở cấp độ nano. Về mặt lý thuyết, tìm kiếm các dạng thùhình rỗng mới không những cần thiết mà còn là thách thức. Cơ sở dữ liệu của Hiệp hộiZeolite quốc tế (IZA) cho thấy rằng, theo thời gian số lượng các loại cấu trúc khung nanoxốp độc đáo đã tăng nhanh chóng, từ 27 loại trong năm 1970, lên 38 vào năm 1978, lên 64trong năm 1988, lên 98 vào năm 1996 và đến 174 trong năm 2007 [9].Ôxit kẽm (ZnO) được cho là vật liệu bán dẫn có nhiều tính chất thú vị và quan trọnghơn nhiều so với các vật liệu khác. Lý giải cho điều này là vì ZnO có thể được hiện thực hóarất dễ dàng trong nhiều cấu trúc nano khác nhau, tính chất phát quang tuyệt vời và khả năngthay đổi độ rộng vùng cấm năng lượng, chẳng hạn trong cấu trúc nano dị chất vỏ-lõi, tính ápđiện của nó tìm thấy ứng dụng như máy phát điện nano, tính tương thích sinh học của nó tìmthấy ứng dụng trong cảm biến hóa sinh, tính trong suốt cao và khả năng có tính sắt từ ở nhiệtđộ phòng sẽ tìm thấy ứng dụng trong quang điện tử và điện tử học spin. Đến nay, các tìmkiếm để tổng hợp hoặc dự đoán lý thuyết các nhóm cấu trúc hay các đa hình hoặc pha mớicho các hợp chất này vẫn có ý nghĩa lớn và đang thu hút được sự quan tâm đáng kể [6].1Giảng viên khoa Khoa học Tự nhiên, Trường Đại học Hồng Đức139TẠP CHÍ KHOA HỌC TRƯỜNG ĐẠI HỌC HỒNG ĐỨC - SỐ 39.2018Trong bài báo này, chúng tôi đề xuất một phương pháp lý thuyết để thiết kế họ cấutrúc nano ZnO xốp mật độ thấp với kênh rỗng hình lục giác từ một vài thành tố đơn vị rỗngđược lựa chọn cẩn thận. Chúng tôi cho rằng phương pháp này có thể cung cấp một cách hữuhiệu để thiết kế mô hình tính toán vật liệu nano xốp. Ở đây, chúng tôi thảo luận về độ bềnvững và cấu trúc điện tử của các vật liệu dựa trên các tính toán trong hình thức phiếm hàmmật độ kết hợp gần đúng liên kết chặt (DFTB).2. NỘI DUNG2.1. Phương pháp nghiên cứu2.1.1. Phương pháp thiết kế cấu trúcTrong phần này chúng tôi mô tả ngắn gọn phương pháp tiếp cận “từ trên xuống” đểtiên đoán về mặt lý thuyết các tinh thể nano rỗng. Các thủ tục thiết kế được bắt đầu từ mộtsố lượng lớn các siêu ô của tinh thể ZnO dạng WZ, rồi khoét đi các kênh rỗng dạng lục giác,để lại một khung xương rỗng. Tiếp đến, cấu trúc khung rỗng này được dịch chuyển về tâmđối xứng và được thực hiện các phép đối xứng có thể, để được ô mạng tinh thể nguyên thủy.Sau đó, các cấu trúc này được tiến hành tối ưu hóa cấu trúc, tức là cho phục hồi hay giải tỏacác biến dạng đi kèm với sự tồn tại của kênh rỗng cũng như bề mặt bên trong của các váchrỗng. Cuối cùng, các cấu trúc đã hồi phục này được tính toán các đặc trưng cấu trúc, điện tửvà rút ra các quy luật liên quan.Các cấu trúc nano xốp rỗng ZnO trong bài báo này được đặc trưng bởi kích thước hốcvà độ dày vách, tất cả các hốc đều có hình lục giác nhưng có đường kính khác nhau, đượcđo bằng đơn vị kích thước khối lục giác. Chúng tôi đưa ra khái niệm độ dày vách với ngụ ýlà độ dày nhỏ nhất giữa các hốc, cũng được đo bằng số lớp khối lục giác, có thể là đơn vách(SW), hai vách (DW), ba vách (3W) hoặc bốn vách (4W). Do đó, một cấu trúc được viết làSW-2 sẽ có hốc lục giác với kích thước 2 khối lục giác, được cách nhau bởi những vách đơn.Tương tự như vậy, cấu trúc 1.5W-2 là hốc lục giác với kích thước 2 khối lục giác, được cáchnhau bởi vách rưỡi. Với mục đích minh họa, chúng tôi chỉ đưa ra các cấu trúc nhỏ nhất ởmỗi chuỗi được chỉ ra ở hình 1.Hình 1. Bốn chuỗi cấu trúc nano xốp ZnO kênh rỗng lục giác thiết kế trong bài báo này(chỉ có hai đại diện nhỏ nhất cho mỗi chuỗi). Từ trái sang phải: SW-2, SW-3, 2W-2, 2W-3,3W-2, 3W-3, 4W-2, 4W-3. Các quả bóng nhỏ (màu đỏ) là nguyên tử O, các quả bóng lớn(màu xám) là những nguyên tử Zn. Khung hình thoi là ô cơ sở140TẠP CHÍ KHOA HỌC TRƯỜNG ĐẠI HỌC HỒNG ĐỨC - SỐ 39.20182.1.2. Phương pháp tính toánTính toán của chúng tôi dựa trên phương pháp phiếm hàm mật độ kết hợp gần đúngliên kết chặt (DFTB+) có phân cực spin và tự tương thích điện tích. Phương pháp này dựatrên việc khai triển đến gần đúng bậc hai phiếm hàm năng lượng tổng của hệ điện tử KohnSham phụ thuộc vào spin của hệ điện tử tham chiếu cho trước nhất định và mật độ từ hóa.Phương pháp này đã được sử dụng phổ biến [5, 7] và được đưa ra một cách ngắn gọn như sau:i) Khai triển các quỹ đạo theo tổ h ...