Tên đề tài: “Khảo sát tính chất nhiệt điện của một số vật liệu cấu trúc hai chiều, graphene và tựa graphene”

Tác giả: Nguyễn Thị Kim Quyên, Khóa: 2019

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

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

Người hướng dẫn phụ: PGS.TS. Huỳnh Anh Huy - Trường Đại học Cần Thơ

1.  Tóm tắt nội dung luận án

Bằng việc sử dụng phương pháp gần đúng liên kết mạnh (TB) và phương pháp luận hàm Green, đề tài thực hiện khảo sát cấu trúc vùng năng lượng, tính chất điện tử và tính chất nhiệt điện của một số vật liệu cấu trúc hai chiều. Trong đó, tập trung khảo sát hai vật liệu cụ thể là penta graphene và dải nano silicene ở trạng thái nhấp nhô (BSiNRs) - đây là hai vật liệu đại diện cho hai cấu trúc vòng năm và vòng sáu tương ứng tựa graphene. Đặc biệt, đề tài đã tiến hành khảo sát và so sánh hệ số Seebeck S của chúng với graphene khi có tác dụng của kích thích bên ngoài, từ đó đưa ra những dự đoán trong việc ứng dụng vào công nghiệp nhiệt điện, hướng đến giải quyết vấn đề cấp thiết về nguồn năng lượng xanh hiện nay. Bên cạnh đó, việc xây dựng mô hình tính toán và khảo sát bài toán cấu trúc vùng năng lượng của cấu trúc vòng sáu chromium nitride (h-CrN) và dải nano hai lớp armchair graphene (BL-AGNRs) khi có kích thích bên ngoài cũng được thực hiện, làm tiền đề cho những nghiên cứu tiếp theo về tính chất nhiệt điện của vật liệu này.

2.  Những kết quả mới của luận án

Luận án đã đạt được các kết quả như sau:

• Xây dựng mô hình tính toán tính chất điện tử và tính chất nhiệt điện của các vật liệu bằng phương pháp TB, cụ thể như sau: (i) mô hình tính toán cấu trúc vùng năng lượng của BL-AGNRs dưới tác động đồng thời của khuyết một nguyên tử và điện trường ngoài; (ii) mô hình tính toán cấu trúc vùng năng lượng và hệ số S của penta graphene và BSiNRs khi chưa có và có tác động của điện trường ngoài; (iii) mô hình tính toán cấu trúc vùng của h-CrN theo các quỹ đạo nguyên tử.
• Đánh giá được ảnh hưởng của từng loại điện trường (điện trường vuông góc và điện trường song song) lên việc điều khiển độ rộng vùng cấm cũng như trạng thái dẫn của vật liệu.
• Sử dụng điện trường ngoài để điều khiển hệ số S của vật liệu, cụ thể: (i) đối với vật liệu penta graphene: hệ số S của penta graphene khi chưa chịu tác động của điện

trường vuông góc là  5361 mV / K  và lớn gấp 67 lần so với graphene; dưới tác động của

điện trường  vuông  góc, hệ số S  của vật liệu giảm dần lần lượt là  4883 mV / K và   3760 mV / K tương ứng với các giá trị Vt = 0.5 V và Vt = 1.5 V ; (ii) đối với BSiNRs: khi chưa có tác động của điện trường ngoài, hệ số S của vật liệu vào khoảng 0.06 mV / K , với các giá trị điện thế áp vào lần lượt là Vs = 0.5 V và Vt = 0.5 V, hệ số này sẽ tăng lần lượt là 0.37 mV / K  và 0.7 mV / K , đặc biệt, với sự kết hợp của cả hai điện trường thì hệ

số S của vật liệu được tăng lên một cách mạnh mẽ và đạt giá trị vào khoảng 1.05 mV / K

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

Về mặt thực tiễn, các kết quả nghiên cứu của đề tài góp phần đưa ra một bức tranh đầy đủ hơn về cấu trúc vùng năng lượng cũng như trạng thái dẫn của vật liệu khi không có và khi có tác động của điện trường ngoài. Đồng thời, dựa trên đánh giá về tác động của điện trường, bài toán về hệ số nhiệt điện của vật liệu cũng được thể hiện rõ ràng hơn. Từ đó góp phần cung cấp các thông tin hữu ích cho việc lựa chọn tác nhân kích thích ứng với từng loại vật liệu trong nhóm khảo sát để nâng cao hệ số chuyển đổi nhiệt của vật liệu, hướng đến ứng dụng trong công nghiệp nhiệt điện cũng như công nghiệp bán dẫn – bóng bán dẫn trong tương lai.

Định hướng nghiên cứu: Để hoàn thiện và phát triển đề tài, đề tài tiếp tục tính toán tính chất nhiệt điện cho BL-AGNRs dưới tác dụng đồng thời của khuyết một nguyên tử và điện trường; đồng thời mở rộng tính toán cho nhóm các vật liệu tựa graphene khác. Từ đó tìm ra tác nhân kích thích thuận lợi nhất để có thể đưa vào ứng dụng thực tế, tận dụng được các đặc tính nổi trội vốn có của nhóm vật liệu này.

INFORMATION OF THESIS

Thesis title: Investigating the thermoelectric properties in two-dimensional materials, graphene and graphene-like structures.

• Major: Theoretical and Mathematical Physics Code: 9440103
• Full name of PhD student: Nguyen Thi Kim Quyen Year: 2019
• Scientific supervisor: Prof. Vu Thanh Tra
• Educational institution: Can Tho University

1.  Content of thesis summary

By using the Tight Binding (TB) calculation and Green’s function formalism, the study investigated the energy bands and the thermoelectric coefficient of two - dimensional materials. In particular, we focused on investigating two materials, such as penta graphene and buckling silicene nanoribbons that represent the pentagonal and hexagonal structures as graphene-like structures. Specifically, the study examines and compares the Seebeck coefficient of these materials with graphene under the impact of external stimuli that lead to predictions for practical application, which aims to address the current challenge of green energy sources. In addition, the modeling constructing, and investigating of the band structure of hexagonal Chromium Nitride (h-CrN) and armchair bilayer graphene (BL-AGNRs) when externally stimulated was also carried out, which premise for further research into the thermoelectric properties of this material.

2.  The novel aspects from the thesis

The thesis achieved the following results:

• Building a model to calculate the electronic and thermoelectric properties of materials using the TB method, specifically as follows: (i) a model to calculate the energy bands of BL-AGNRs under the simultaneous influence of the vacancy and an external electric field; (ii) a model to calculate the energy bands and the S coefficient of penta graphene and BSiNRs without and with the influence of an external electric field; (iii) a model to calculate the band structure of h-CrN according to atomic orbitals.
• Evaluate the influence of each type of electric field (vertical and transverse) on controlling the band gap as well as the conduction state of the
• Using the external electric field to control the S coefficient of the material, in particular: (i) for penta graphene: the S coefficient without the vertical electric field

is 5361 mV / K  and larger than 67 times for graphene; under the impact of the vertical

electric field, the S coefficient decline are 4883 mV / K and 3760 mV / K , correspond to V_t = 0.5 V and V_t = 1.5 V, respectively; (ii) for BSiNRs: without fields, the S coefficient about 0.06 mV / K , with the values of voltage are V_s = 0.5 V and V_t = 0.5 V, this coefficient raise to 0.37 mV / K and 0.7 mV / K , respectively. Especially,

under the effect of both fields, the S coefficient of this material strongly increases and reaches the value at 1.05 mV / K .

3.  Application prospects and suggestions for further study

In practice, these results give a full picture of the energy bands and the conduction state of the material in the absence and presence of an external electric field. At the same time, based on the evaluation of the electric field impaction, the thermoelectric coefficient is also shown more clearly. This will contribute to providing useful information for selecting stimuli suitable for each type of material, which will improve the heat transfer coefficient, and aim at applications in the thermoelectric industry as well as the semiconductor industry - transistors in the future.

Future research directions: To complete and develop the study, it continues to calculate the thermoelectric properties of BL-AGNRs under simultaneous vacancy and an electric field; at the same time, the calculation is extended to other groups of graphene-like structures. From there, the most favorable stimulus can be put into practical applications, taking advantage of this group of materials' outstanding inherent properties.

• 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)