Tên đề tài: “NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT ĐIỆN TỬ VÀ HIỆN TƯỢNG TRUYỀN DẪN ĐIỆN TỬ CỦA MỘT SỐ HỆ VẬT LIỆU DẠNG NGŨ GIÁC BẰNG PHƯƠNG PHÁP MÔ PHỎNG”.

Tác giả: Trần Yến Mi, Khóa: 2019

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

Người hướng dẫn chính: PGS.TS. Nguyễn Thành Tiên - Trường Đại học Cần Thơ

Người hướng dẫn phụ: TS. Đặng Minh Triết - Trường Đại học Cần Thơ

1. Tóm tắt nội dung luận án

Dựa vào phương pháp mô phỏng DFT (Lý thuyết phiếm hàm mật độ điện tử) và phương pháp mô phỏng NEGF-DFT (Hàm Green không cân bằng kết hợp Lý thuyết phiếm hàm mật độ điện tử), chúng tôi quan tâm đến tính chất điện tử và truyền dẫn điện tử của nhóm vật liệu dải nano ngũ giác PG-SS, p-P₂C-SS và p-SiC₂-SS có hai biên răng cưa, các liên kết dư tại biên được trung hòa bằng các nguyên tử Hydro (H) và đều có các cấu trúc tiền thân thuộc nhóm đối xứng P-421m. Các kết quả nghiên cứu của chúng tôi cho thấy rằng ngay cả khi chúng có độ rộng tương đương nhau thì tính chất điện tử và truyền dẫn điện tử của chúng cũng có sự khác nhau tương đối. Một trong các điểm khác khác nhau này được thể hiện ở sự phân bố trạng thái theo không gian ứng với các mức năng lượng lân cận mức Fermi, mức VBM (Valence Band Maximum – mức năng lượng cao nhất của vùng hóa trị) và mức CBM (Conduction Band minimum – mức năng lượng thấp nhất của vùng dẫn). Tuy vậy, chúng vẫn bảo đảm một số đặc trưng chung như:

• Chúng đều là các chất bán dẫn có vùng cấm vừa phải (£ 2,3 eV) và không mang từ tính.
• Trạng thái điện tử ứng với mức năng lượng CBM luôn xuất hiện đáng kể tại vùng giữa của mỗi dải nano ngũ giác, và có nguồn gốc chủ yếu từ các orbital p của các nguyên tử lai hóa sp².
• Tính chất điện tử và truyền dẫn điện tử của chúng chủ yếu được quyết định bởi các trạng thái điện tử của các nguyên tử lai hóa sp² nằm tại hai lớp nguyên tử thành phần ngoài cùng của mỗi cấu trúc.

Với tất cả các đặc trưng trên, chúng tôi nhận thấy khả năng ứng dụng của nhóm vật liệu này vào lĩnh vực cảm biến khí. Cụ thể, nghiên cứu của chúng tôi cũng cho thấy tiềm năng cảm biến khí CO, CO₂ và NH₃ của mô hình PG-SS được chọn làm đại diện, với một số kết quả cụ thể sau:

• Mô hình PG-SS có khả năng bị thay đổi mạnh tính chất điện tử và truyền dẫn điện tử khi các phân tử khí được hấp phụ ngay trên liên kết giữa hai nguyên tử lai hóa sp². Tuy nhiên, điều này còn phụ thuộc vào loại nguyên tử được hấp phụ.
• Mô hình PG-SS có khả năng cảm biến tốt phân tử CO và NH₃, tuy nhiên không phù hợp để cảm biến phân tử CO₂.
• Đặc biệt, việc ứng dụng đế PG-SS trong cảm biến phân tử NH₃ còn có ưu điểm vượt trội về khả năng hồi phục linh kiện, do liên kết giữa PG-SS và NH₃ chỉ là liên kết vật lý.

Tóm lại, các kết quả nghiên cứu của luận án góp phần làm sáng tỏ tính chất điện tử và truyền dẫn điện tử của nhóm vật liệu dải nano ngũ giác xuất phát từ các cấu trúc hai chiều tiền thân có cùng nhóm đối xứng P-421m, có hai biên răng cưa với các liên kết dư tại biên được trung hòa bởi các nguyên tử H, có cấu trúc phẳng, là chất bán dẫn có vùng cấm xiên vừa phải và không mang từ tính, PG-SS, p-P2C-SS và p-SiC2-SS. Dựa vào các đặc tính nổi bật này, chúng tôi tin tưởng rằng chúng có khả năng ứng dụng để chế tạo các cảm biến khí. Về khía cạnh học thuật, luận án góp phần bổ sung vào mảng kiến thức liên quan đến tính chất điện tử và truyền dẫn điện tử của nhóm vật liệu cấu trúc nano.

Từ khóa: dải nano ngũ giác, PG-SS, p-P₂C-SS, p-SiC₂-SS, tính chất điện tử, tính chất truyền dẫn điện tử.

2. Những kết quả mới của luận án

Luận án khẳng định các mô hình PG-SS, p-P₂C-SS và p-SiC₂-SS có các đặc trưng sau:

• Chúng đều có cấu trúc tiền thân thuộc nhóm đối xứng P-421m, và phẳng hơn so với các kiểu dải nano khác khi cùng được cắt ra từ một mô hình hai chiều ban đầu.
• Ứng với từng khoảng độ rộng mà mỗi mô hình ổn định về mặt năng lượng và nhiệt động lực học, đồng thời thể hiện rõ đặc tính điện tử của cấu trúc dải nano.
• Các dải nano này là các chất bán dẫn có vùng cấm xiên với độ rộng vừa phải và không mang từ tính.
• Cả tính chất điện tử và truyền dẫn điện tử của các mô hình dải nano này được quy định chủ yếu bởi orbital p của các nguyên tử lai hóa sp² nằm trên hai bề mặt của mỗi cấu trúc. Đồng thời, khi các nguyên tử này nằm tại vùng giữa của mỗi mô hình thì có vai trò đặc biệt quan trọng so với các nguyên tử nằm trên hai biên.

Để xét khả năng cảm biến, chúng tôi chọn khảo sát PG-SS và thu được các kết quả quan trọng sau:

• PG-SS có khả năng cảm biến tốt CO và NH₃ khi các phân tử này được hấp phụ ngay trên liên kết giữa hai nguyên tử lai hóa sp².
• Đặc biệt, sau khi hấp phụ phân tử NH₃ thì PG-SS có khả năng hồi phục cao, do liên kết giữa PG-SS và NH₃ là liên kết vật lý.
• Mô hình PG-SS không phù hợp để cảm biến phân tử CO₂.

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

Từ các nghiên cứu này, luận án mang lại một số kết quả quan trọng:

• Luận án chỉ ra được tính chất điện tử và truyền dẫn điện tử tổng quát của nhóm vật liệu dải nano ngũ giác PG-SS, p-P₂C-SS và p-SiC₂-SS.
• Luận án cho thấy vai trò hấp phụ các phân tử khí đối với tính chất điện tử và truyền dẫn điện tử của nhóm vật liệu này.
• Về mặt thực tiễn, các kết quả nghiên cứu của luận án góp phần cung cấp các thông tin hữu ích để định hướng cho các nghiên cứu tiếp theo cả về lý thuyết lẫn thực nghiệm.

Các vấn đề cần tiếp tục nghiên cứu:

• Do sự khác biệt về phân bố trạng thái điện tử trong không gian thuộc các mức năng lượng lân cận mức Fermi đối với các kiểu dải nano khác nhau, nên chắc chắn dẫn đến khả năng cảm biến khác nhau đối với cùng một loại phân tử khí. Do đó, chúng tôi dự định so sánh khả năng cảm biến của các mô hình PG-SS, p-P₂C-SS và p-SiC₂-SS đối với các phân tử khí CO, CO₂ và NH₃.
• Khảo sát chi tiết mức độ ảnh hưởng của thế tương tác Van der Waals vào tính chất điện tử và truyền dẫn điện tử của nhóm vật liệu PG-SS, p-P₂C-SS và p-SiC₂-SS cũng là mục tiêu quan trọng mà chúng tôi cần đạt được trong thời gian ngắn sắp tới.

Thesis title: “RESEARCH ON ELECTRONIC AND ELECTRONIC TRANSPORT PROPERTIES OF SOME PENTAGONAL NANORIBBON MATERIALS BY SIMULATION METHODS”

• Major: Theoretical and Mathematical Physics Code: 9440103
• Full name of PhD student: Tran Yen Mi             Training period: 2019 – 2022
• Supervisor: Assoc. Prof. Dr. Nguyen Thanh Tien - Can Tho University
• Vice supervisor: Dr. Dang Minh Triet - Can Tho University
• Training institution: Can Tho University

1. Dissertation summary

Based on DFT and NEGF-DFT simulation methods, we pay attention to the electronic and electronic transport properties of pentagonal nanoribbon samples, PG-SS, p-P₂C-SS and p-SiC₂-SS. These models have sawtooth edges with dangling bond atoms neutralized by H ones and their precursors pose P-421m symmetry. Although having the similar widths, these nanoribbons are quite different in electronic and electronic transmission properties. One of these differences is the spatial distributions of many electronic states which are in Valence Band Maximum (VBM) and Conduction Band minimum (CBM) states. However, they also have many similar characteristics:

• All of them are moderate indirect band gap and non-magnetic semiconductors.
• The conduction band maximum (CBM) states of all these samples have a major contribution from the sp²-hybridized atoms in non-edge regions.
• The outermost layer atoms (sp²-hybridized atoms) in each sample play an important role in both electronic and electronic transport properties.

According to these wonderful characteristics, we prove that these pentagonal nanoribbon models could become gas sensors. In details, we make a research on CO, CO and NH₃ gas sensing capabilities of the PG-SS model, which is representative. As a result, we get these following conclusions:

• The electronic and electronic transport properties of PG-SS could be significantly affected of CO, CO₂ and NH₃ molecules absorbed right above sp²-hybridized atom bondings.
• PG-SS-based sensor is an excellent candidate for detecting CO and NH₃ molecules, but it is not suitable for CO₂
• In particular, PG-SS-based gas sensor could be restored in NH₃ adsorption, because the interation between them is only physical.

In conclusions, these findlings contribute to clarifying the electronic and electronic transmission properties of pentagonal nanoribbon models which have sawtooth edges with dangling bond atoms neutralized by H ones and their precursors pose P-421m symmetry. Based on these results, we optimistically believe that these models could be used in the manufacture of gas sensors. About the academic aspect, these discoveries contribute to elucidate the physical properties of nanometer-structured materials.

Keywords: pentagonal nanoribbons, PG-SS, p-P2C-SS, p-SiC2-SS, electronic properties, electronic transport properties.

2. New results of the thesis

Our study results confirm that PG-SS, p-P₂C-SS và p-SiC₂-SS have many following characteristics:

• Their precursor structures belong to the same geometry group, P-421m. Besides, these nanoribbons are flatter than the others that are cut from the same parent model.
• Each of these pentagonal nanoribbons has their limited width for stabilization and the characteristics of nanoribbon structure.
• They are indirect semiconductors with moderate band gaps and non-magnetic.
• Both their electronic and electronic transport properties are mainly controlled by many p orbital of sp² -hybridized atoms. Especially, when these atoms are located in the middle region of each model, they play a particularly important role compared to atoms located on two edges.

In the case of gas sensing, we study in PG-SS as a representative. These are some impressive results:

• PG-SS has an inspiring sensing ability of CO and NH₃ when these molecules are adsorbed right on the link between two sp²-hybridized atoms.
• Especially, after the adsorption of NH₃, PG-SS has a high recovery ability, because the link between them is physical.
• PG-SS is not sensitive to detect CO₂

3. Practical applications/applicability, issues that need further research

In reality, our results provide much useful information for further studies in pentagonal nanoribbon structures both theoretically and experimentally.

From the above analysis, we identify the next two important research:

• We intend to compare the sensing capabilities of the PG-SS, p-P₂C-SS and p-SiC₂-SS models for CO, CO₂ and NH₃.
• We will investigate in detail the influence of the Van der Waals potential on the electronic and electronic transmission properties of the PG-SS, p-P₂C-SS and p-SiC₂-SS materials.

• 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)