Tên đề tài: “Khảo sát tính chất quang của các vật liệu graphene hai lớp và tựa graphene

Tác giả: Nguyễn Lâm Thùy Dương, Khóa: 2019

Ngành: Vật lý lý thuyết và vật lý toán; Mã số: 9440103. Nhóm ngành: Khoa học tự nhiên

Người hướng dẫn: PGS.TS. Vũ Thanh Trà - Trường Đại học Cần Thơ

1. Tóm tắt nội dung luận án

Luận án đã khảo sát về những đặc trưng quang học trong mối tương quan với tính chất điện tử của các vật liệu bao gồm hai lớp graphene xếp chồng và các vật liệu tựa graphene ở dạng dải nano - bao gồm các dải nano đơn lớp graphene (SL-GNRs), dải nano hai lớp graphene (BL-GNRs) và các dải nano silicene cấu trúc nhấp nhô (BSiNRs). Trong đó, ảnh hưởng của các yếu tố kích thích ngoài như cổng điện thế, sai hỏng cấu trúc được sử dụng để điều khiển các tính chất vật lý của hệ vật liệu. Qua đó, luận án đã đưa ra những so sánh về tác động của hai loại điện thế (vuông góc hoặc song song), và chỉ ra những khoảng điện thế phù hợp trong việc điều khiển vị trí, số lượng và cường độ đỉnh phổ, cùng với gây ra những biến đổi trong cấu trúc vùng năng lượng và phổ mật độ trạng thái. Thêm vào đó, sai hỏng cấu trúc kết hợp với ảnh hưởng của các giá trị điện thế ngoài được sử dụng với mục đích điều chỉnh cấu trúc phổ ở vùng tần số thấp. Thông qua những kết quả này, luận án hướng tới việc nâng cao hiệu năng ứng dụng của các thiết bị quang điện dựa trên hai lớp graphene xếp chồng và silicene.

2. Những kết quả mới của luận án

-   Thông qua việc sử dụng phương pháp gần đúng liên kết mạnh kết hợp với phương pháp luận hàm Green, luận án đã khảo sát về cấu trúc vùng năng lượng và phổ mật độ trạng thái của SL-GNRs và BL-GNRs, dưới tác động lần lượt của hai loại điện thế ngoài. Kết quả cho thấy rằng điện thế vuông góc có tác động mạnh hơn điện thế song song trong việc điều khiển độ rộng vùng cấm, biến đổi cấu trúc vùng con và phân bố lại mật độ điện tử của vật liệu, đặc biệt là trên AB-stacking thì vai trò của điện thế này trên cả ba nhóm bán dẫn-điện môi và kim loại càng thể hiện rõ rệt hơn. Thú vị hơn, việc sử dụng các giá trị điện thế ngưỡng và trên ngưỡng gây ra những sự biến dạng đáng kể trong cấu trúc vùng con, chẳng hạn như hình thành trạng thái suy biến và tách đỉnh tại các vùng con lân cận mức Fermi.

-   Thông qua việc sử dụng quy tắc vàng Fermi và phương pháp gần đúng gradient, luận án đã phân tích một cách chi tiết sự biến đổi của các đại lượng đặc trưng quang học như số lượng, vị trí và độ cao đỉnh phổ của SL-GNRs và BL-GNRs (biên armchair) khi có sự hiện diện của điện thế vuông góc và song song. Kết quả cho thấy sự phong phú của cấu trúc đỉnh phổ dưới tác động của điện thế ngoài, đồng thời, những biến đổi này là khác biệt khi so sánh các nhóm bán dẫn-điện môi với nhóm kim loại. Cụ thể, nếu như các đỉnh đầu tiên của hai nhóm  có xu hướng dịch chuyển về điểm tần số không đồng thời cường độ đỉnh giảm theo sự tăng độ lớn điện thế được áp thì điều này lại hoàn toàn trái ngược đối với nhóm . Hơn nữa, vai trò của điện thế vuông góc là rõ rệt hơn điện thế song song trong việc điều khiển các đặc trưng quang học, cũng như gây ra những thay đổi đáng kể trong cấu trúc vùng năng lượng và sự phân bố mật độ điện tử.

-   Thông qua việc sử dụng quy tắc vàng Fermi và phương pháp gần đúng gradient, luận án cũng đã nghiên cứu về phổ hấp thụ quang của BSiNRs khi chịu tác động đồng thời của điện thế ngoài và sai hỏng cấu trúc. Trong đó, tác động của điện thế vuông góc đối với BSiNRs (biên zigzag) có những điểm tương đồng như đối với nhóm kim loại ở SL-GNRs và BL-GNRs (như đã phân tích ở trên), chẳng hạn như đều gây ra sự mở vùng cấm và sự dịch chuyển đỏ trong cấu trúc đỉnh ở vùng tần số thấp. Tuy nhiên, tác động của điện thế song song đối với BSiNRs là đáng kể hơn khi khảo sát trên BL-GNRs trong việc gây ra những biến đổi về độ cao và hình dạng đỉnh hấp thụ ngưỡng, xuất phát từ sự biến dạng các vùng con tại trạng thái biên. Đặc biệt hơn, ảnh hưởng của sai hỏng hai nguyên tử liền kề kết hợp với điện thế ngoài dẫn đến việc xuất hiện thêm nhiều cấu trúc đỉnh phổ mới cũng như tăng cường hiệu suất hấp thụ do việc chuyển dời điện tử giữa các vùng con xung quanh .

3. Các ứng dụng/khả năng ứng dụng trong thực tiễn, các vấn đề cần tiếp tục nghiên cứu

Các kết quả thu được trong luận án đóng góp vào việc làm sáng tỏ mối tương quan giữa các tính chất quang học và điện tử của hai lớp graphene xếp chồng và các vật liệu tựa graphene, khi không có và khi có các kích thích ngoài. Các kết quả phân tích về tác động của điện thế và sai hỏng cấu trúc mở ra tiềm năng ứng dụng của hệ vật liệu này trong các thiết bị điều khiển quang học và các ứng dụng trong công nghệ nano. Ngoài ra, những khảo sát về ảnh hưởng của điện thế đối với tính chất điện tử của các vật liệu này hỗ trợ trong việc phát triển các thiết bị điện tử thông minh với khả năng chuyển đổi trạng thái bật/tắt cao.

Trong những nghiên cứu tiếp theo, đề tài sẽ tiếp tục phát triển các tính toán liên quan đến tính chất quang cho hai lớp graphene xếp chồng và các vật liệu tựa graphene dưới tác dụng đồng thời của khuyết và sử dụng việc áp cổng điện thế. Trong đó, đề tài mở rộng khảo sát ảnh hưởng của các loại khuyết khác nhau, như khuyết tật Stone Wales, khuyết một nguyên tử hình thành vòng 5-9, lên các đại lượng đặc trưng quang học. Đồng thời, trong định hướng khảo sát về hệ số hấp thụ và hàm điện môi trong tương lai, tôi sẽ quan tâm chú ý đến ảnh hưởng của hiện tượng hấp thụ và truyền dẫn trong những ứng dụng y sinh của hệ vật liệu này.

Thesis title: Theoretical investigation of the optical properties of bilayer graphene and graphene-like materials

- Major: Theoretical and Mathematical Physics                     Code: 9440103

- Full name of PhD student: Nguyen Lam Thuy Duong       Year: 2019

- Scientific supervisor: Assoc. Prof.  PhD. Vu Thanh Tra

- Educational institution: Can Tho University

1. Content of thesis summary

The thesis has investigated the optical characteristics in correlation with the electronic properties of bilayer graphene and graphene-like materials – including SL-GNRs, BL-GNRs, and BSiNRs. In which, the impact of external stimuli such as the electric gating, the structural defect is utilized to control the physical properties of the material system. Thereby, the thesis has provided the comparison of the influences of two types of electric potentials (perpendicular and transverse), and denoted the electric ranges to be suitable for controlling the position, the number, and the intensity of the optical peaks, together with causing the variations in the energy band and the density of states. Additionally, the structural defect in combination with the influence of external electric potentials is used to adjust the spectral structure in the low-frequency region. Based on these outcomes, the thesis aims to enhance the practical performance of photovoltaic devices based on bilayer graphene and silicene.

2. The novel aspects from the thesis

-   By using the tight-binding approximation accompanied by the Green function, the thesis dissects the band structure and the density of states of SL-GNRs and BL-GNRs, under the influences of two types of electric potentials. The results denoted that perpendicular electric potential has more vivid influences than transverse one in tuning the electronic gap, altering the subband structure, and redistributing the charge density. Especially on AB-stacking, the role of this electric potential on the three groups of semiconductor-insulator and metallic exhibits remarkably. More interestingly, the utilization of the critical and overcritical voltages causes the obvious deformations in the subband structure, i.e. forming the degenerate state and peak-splitting at the subband contiguous to the Fermi level.

-   By using Fermi’s Golden rule and the gradient approximation, the thesis analyses in detail the fluctuations of optical characteristics such as the number, the position, and the intensity of the spectral peak in SL-GNRs and BL-GNRs (in armchair edge), under the presence of perpendicular and transverse electric potential, respectively. The outcomes indicate the diversity of the spectral peak in the impact of external electric potential, and at the same time, these modifications are distinctive when comparing the semiconductor-insulator groups with metallic groups. Specifically, if the first peaks of two groups  tend to shift to the zero point of frequency, and at the same time, the height of these peaks declines in the increase of applied potential strength. These are inverse to the group . In addition, the role of the perpendicular potentials is more evident than that of the transverse ones in tuning the optical features and bringing about significant changes in the band structure and the distribution of charge density.

-   By using Fermi’s Golden rule and the gradient approximation, the thesis also surveys the absorption spectrum of BSiNRs in the mutual impacts of external electric potential and structural defect. In which, the influences of the perpendicular potential in BSiNRs (in zigzag edge) have some similarities as those in SL-GNRs and BL-GNRs on the metallic group (as mentioned above), such as opening the gap size and causing the redshift in the spectral peak in the low frequency. However, the effect of the transverse electric potential in BSiNRs is more noticeable than in BL-GNRs in generating the modifications of the height and the shape of threshold peaks, originating from the deformation in the subbands at the edge states. More importantly, the consequence of divacancy together with electric potentials leads to the appearance of many new spectral peak structures as well as enhancement of absorption efficiency due to the electronic transitions among the subbands around .

3. Application prospect and suggestions for further study

The obtained outcomes in the thesis contribute to clarifying the correlation between the optical and electronic properties of bilayer graphene and graphene-like materials, in the absence and presence of external factors. The examinations of the impact of electric potential and structural defects open up the potential applications of the material system in optical control devices and nanotechnology fields. Moreover, the studies about the effect of electric potentials on the electronic properties of these materials support the development of smart electronic devices with high on/off switching.

In the following studies, the thesis will continue to develop calculations related to the optical properties of bilayer graphene and graphene-like materials under the mutual impacts of defects and using electric gatings. In particular, the thesis will expand the investigation of the influence of different types of defects such as Stone Wales defects, and monovacancy that form 5-9 rings on optical characteristics. At the same time, in the research direction on absorption coefficients and dielectric functions in the future, I will pay attention to the influence of absorption and transmission phenomena for potential biomedical applications of this material system.

• Xem chi tiết nội dung luận án
• Xem thông tin đăng tải tại Website Bộ giáo dục và Đào tạo. (Nhập tên NCS vào ô tìm kiếm)