Nghiên cứu tính toán hiệu năng cao các tính chất cấu trúc và điện tử của vật liệu graphene 1D hấp phụ nguyên tử silicon

Bài viết "Nghiên cứu tính toán hiệu năng cao các tính chất cấu trúc và điện tử của vật liệu graphene 1D hấp phụ nguyên tử silicon" nghiên cứu chi tiết các tính chất cấu trúc và điện tử của GNR hấp phụ Si. Các tính chất cấu trúc và điện tử là được xác định bởi các đại lượng vật lý bao gồm năng lượng hấp phụ, các thông số cấu trúc tối ưu, cấu trúc vùng điện tử, mật độ trạng thái điện tử và phân bổ mật độ điện tích không gian. Mời các bạn cùng tham khảo!
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Nghiên cứu tính toán hiệu năng cao các tính chất cấu trúc và điện tử của vật liệu graphene 1D hấp phụ nguyên tử silicon NGHIÊN CỨU TÍNH TOÁN HIỆU NĂNG CAO CÁC TÍNH CHẤT CẤU TRÚC VÀ ĐIỆN TỬ CỦA VẬT LIỆU GRAPHENE 1D HẤP PHỤ NGUYÊN TỬ SILICON Nguyễn Thanh Phương1, Nguyễn Anh Kha1 Nguyễn Duy Khanh1, Mai Thi Tuyến2 1. Trung tâm Công nghệ thông tin. 2. Viện Phát triển Ứng dụng Email: khanhnd@tdmu.edu.vn TÓM TẮT Các tính toán DFT hiệu năng cao là được sử dụng để nghiên cứu các tính chất cấu trúc và điện tử của vật liệu graphene 1D hấp phụ nguyên tử silicon (Si). Một khung lý thuyết DFT được phát triển để xác định các tính chất thiết yếu bao gồm như năng lượng hấp phụ, các thông số mạng tối ưu hóa, cấu trúc vùng điện tử, mật độ trạng thái điện tử và phân bổ mật điện tích không gian. Các tính toán DFT tối ưu xác định nguyên tử Si hấp phụ tối ưu nhất tại vị trí cầu (bridge) của AGNR và cấu trúc hấp phụ vẫn duy trì dạng lục giác phẳng do liên kết σ trong C- C vẫn còn duy trì rất mạnh. AGNR nguyên sơ sở hữu độ rộng vùng cấm năng lượng trực tiếp có giá trị 0.9 eV vẫn còn chưa phù hợp cho các ứng dụng điện tử cần độ rộng vùng cấm nhỏ hơn. Dưới ảnh hưởng của hấp phụ Si thì độ rộng vùng cấm năng lượng được hiệu chỉnh có giá trị 0.49 eV là rất tương thích cho vật liệu kênh dẫn trong các transistor hiệu năng cao và có sự chuyển dời từ độ rộng vùng cấm trực tiếp sang gián tiếp. Cơ chế hiệu chỉnh độ rộng vùng cấm năng lượng là do có sự chuyển dời các electron từ nguyên tử Si đến C. Sự chuyển dời điện tích này tạo ra mật độ electron cao trong AGNR được xem là bán dẫn loại n. Tính chất bán dẫn loại n của AGNR hấp phụ Si sẽ là các vật liệu bán dẫn 1D tương thích tốt trong các ứng dụng điện tử tiên tiến trong tương lai. Từ khóa: Tính toán DFT, graphene 1D, tính chất điện tử, chuyển dời điện tích, bán dẫn loại n. 1. GIỚI THIỆU Các dãy graphene một chiều (GNR) đã thu hút nhiều nghiên cứu thực nghiệm [Hou và nnk., 2017], tính toán [Hoggard và nnk., 2013] và lý thuyết [Horing và nnk., 2010] bởi vì GNR có cấu trúc mạng tổ Ong đặc biệt, độ dày một nguyên tử, độ rộng ở kích thước hữu hạn và giam cầm cấu trúc cạnh khác nhau. GNR với các tích chất độc đáo rất thích hợp để khám phá các tính chất vật lý, hóa học và vật liệu mới [Sun và nnk., 2011]. GNR có thể được tổng hợp bằng phương pháp từ trên xuống (top down) và từ dưới lên (bottom up) như phân tách các ống nano carbon nhiều vách [Awasthi và nnk., 2015], cắt tấm graphene 2D [Lehtinen và nnk., 2011] và sử dụng các phương pháp hóa học khác [Lehtinen và nnk., 2011]. Đặc biệt, GNR được kỳ vọng sẽ có những ứng dụng tiềm năng cao [Brownson và nnk., 2010] bởi vì các đặc tính thiết yếu có thể biến đổi dễ dàng bởi các yếu tố bên ngoài, chẳng hạn như doping nguyên tử [Gierz và nnk., 2008], biến dạng cơ học [Chen và nnk., 2016], tạo khuyết tật [Thompson và nnk., 2015] và áp 318 các điện trường hoặc từ trường ngoài [Razmkhah và nnk., 2018]. Sử dụng các tính toán nguyên lý ban đầu, Shan Sheng Yu và các cộng sự đã nghiên cứu các tính chất điện tử của AGNR thay thế nguyên tử N và B [Yu và nnk., 2009]. Kết quả nghiên cứu này chỉ ra rằng thay thế N hoặc B tạo ra cấu vùng điện tử kim loại kiểu p hoặc n phụ thuộc vào nguyên tử thay thế. E. Cruz- Silva và các cộng sự đã nghiên cứu các tính chất cấu trúc, từ tính và vận chuyển điện tử của GNR thay thế đơn nguyên tử B, N và P [Cruz-Silva và nnk., 2011]. Kết quả nghiên cứu này cho thấy rằng các nguyên tử thay thế ưu tiên tại vị trí cạnh ngoại trừ B. ZGNR thay thế B thể hiện các trạng thái donor phụ thuộc spin khi B thay thế ở vị trí cạnh và ngược lại thể hiện các trạng thái aceptor khi B thay thế ở vị trí xa cạnh. ZGNR thay thế N cho thấy các hiệu ứng đối lập với thay thế B, trong khi đó thay thế P biểu hiện cả các trạng thái donor và aceptor. H. Sevinçli, M và các cộng sự đã nghiên cứu các tính chất điện tử và từ tính của AGNR hấp phụ các nguyên tử kim loại chuyển tiếp 3d [Sevinçli và nnk., 2008]. Kết quả nghiên cứu này biểu thị rằng các nguyên tử kim loại chuyển tiếp hấp phụ tối ưu tại vị trí hollow. Phụ thuộc vào độ rộng của AGNR và loại nguyên tử kim loại chuyển tiếp 3d, AGNR nguyên sơ thuộc về bán dẫn không từ tính có thể trở thành kim loại hoặc bán dẫn sắt từ hoặc phản sắt từ. Đặc biệt, hấp phụ Fe hoặc Ti có thể dẫn đến đặc tính bán kim loại với sự phân cực spin hoàn toàn tại mức Fermi. Sử dụng các tính toán nguyên lý ban đầu, Na Zheng và các cộng sự đã nghiên cứu GNR hấp phụ nguyên tử Li [Zheng và nnk., 2020]. Kết quả nghiên cứu này cho thấy rằng nguyên tử Li có thể hấp phụ hóa học tại vị trí hollow với độ cao và năng lượng hấp phụ tương ứng là 1.730 Å và -0.807 eV. Hấp phụ nguyên tử Si lên AGNR có thể dẫn đến nhiều tính chất mới. Tuy nhiên, cho đến nay, vẫn chưa có nghiên cứu chi tiết nào về GNR hấp phụ Si. Trong nghiên cứu này, sử dụng các tính toán DFT hiệu năng cao, chúng tôi sẽ nghiên cứu chi tiết các tính chất cấu trúc và điện tử của GNR hấp phụ Si. Các tính chất cấu trúc và điện tử là được xác định bởi các đại lượng vật lý bao gồm năng lượng hấp phụ, các thông số cấu trúc tối ưu, cấu truc vùng điện tử, mật độ trạng thái điện tử và phân bổ mật độ điện tích không gian. Các kết quả dự đoán từ các tính toán DFT trong nghiên cứu này là có thể được kiểm chứng bằng các phép đo thực nghiệm hiện đại như kính hiển vi quét đường hầm (STM) [Khandelwal A và nnk., 2017], kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) [ Singh D và nnk., 2016], quang phổ quang phân giải theo góc (ARPES) [Aktürk E và nnk., 2016], quét đặc điểm kỹ thuật xuyên hầm (STS) [Moore J E, 2010; Manzeli S, 2017], quang phổ [Ferrari và nnk., 2006] và quang phổ vận chuyển [Wakabayashi và nnk., 2009]. 2. PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN Các tính cấu trúc và tính điện tử của AGNR hấp phụ nguyên tử Si là được nghiên cứu bằng phương pháp l ...