Tên đề tài: “Nghiên cứu ảnh hưởng của sai hỏng lên cấu trúc vùng năng lượng và tính chất điện tử của một số vật liệu graphene và tựa graphene"

Tác giả: Ngô Văn Chinh, Khóa: 2021

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, Đại học Cần Thơ

1. Tóm tắt nội dung luận án

          Luận án thực hiện nghiên cứu lý thuyết hệ thống về ảnh hưởng của các sai hỏng cấu trúc nguyên tử, tiêu biểu là khuyết đôi (divacancy – DV) và sai hỏng Stone–Wales (SW), đối với cấu trúc vùng năng lượng (BS) và tính chất điện tử (TCĐT) của dải nano graphene dạng biên armchair (GNRs) và dải nano silicene vênh dạng biên zigzag (ZBSiNRs). Trong bối cảnh kỹ thuật hóa sai hỏng đã và đang trở thành chiến lược then chốt để điều khiển tính chất vật liệu 2D, nghiên cứu tập trung giải quyết bài toán tái cấu trúc mạng tinh thể và cơ chế hình thành các trạng thái điện tử cục bộ.

          Về phương pháp luận, luận án vận dụng sáng tạo phương pháp gần đúng liên kết mạnh (TB) dưới dạng ma trận kết hợp với phương pháp luận hàm Green để mô tả toàn diện cấu trúc điện tử của các hệ nano sai hỏng. Việc tích hợp hàm Green cho phép xác định chính xác phổ mật độ trạng thái (DOS) thông qua phần ảo của vết ma trận hàm Green, từ đó làm rõ mối liên hệ giữa các biến đổi hình học tại vùng sai hỏng và sự hình thành các mức năng lượng cục bộ trong vùng cấm. Đóng góp khoa học then chốt của nghiên cứu là việc thiết lập và chuẩn hóa hệ thống bộ tham số tương tác tái cấu trúc hiệu dụng đặc trưng cho các cấu hình 5–8–5 và d5d7 trên cả AGNRs và ZBSiNRs. Nghiên cứu đã giải quyết bài toán phức tạp về sự thay đổi độ dài và góc liên kết tại vùng sai hỏng bằng cách xác định các tham số tương tác tương ứng với quá trình tái sắp xếp nguyên tử nhằm đưa hệ về trạng thái năng lượng thấp cục bộ. Đặc biệt, đối với ZBSiNRs, luận án đã mô tả chính xác sự biến thiên của các tham số tương tác trong cấu trúc vênh nội tại bắt nguồn từ sự đồng tồn tại của các lai hóa sp² và sp³. Trong mô hình d5d7, sự kết hợp giữa DV và SW đã được hệ thống hóa thông qua việc tính toán khoảng cách hiệu dụng và năng lượng liên kết mới, phản ánh trung thực quá trình cực tiểu hóa năng lượng tự do và ứng suất đàn hồi cục bộ của mạng tinh thể. Các bộ tham số này không chỉ được xây dựng trên các ràng buộc hình học khắt khe mà còn được kiểm chứng thông qua việc đối chứng chặt chẽ với các kết quả tính toán ab initio (DFT-GGA/PBE) và dữ liệu thực nghiệm uy tín. Cách tiếp cận bán thực nghiệm này giúp đảm bảo độ tin cậy vật lý cao cho các hệ nano kích thước lớn trong khi tiết kiệm đáng kể tài nguyên tính toán, tạo tiền đề quan trọng cho việc dự báo các đặc trưng điện tử tiềm năng và định hướng thiết kế linh kiện nano dựa trên chiến lược "kỹ thuật hóa sai hỏng".

          Nội dung trọng tâm của luận án làm sáng tỏ cơ chế vật lý vi mô của sự hình thành các trạng thái polaron bị bẫy và các mức năng lượng cục bộ trong vùng cấm, đồng thời hệ thống hóa quy luật phụ thuộc của phổ năng lượng vào vị trí và cấu hình sai hỏng. Đặc biệt, luận án đã khảo sát sâu sự tương tác đồng thời giữa sai hỏng cấu trúc và điện trường ngoài, chứng minh khả năng điều khiển chủ động kiểu dẫn (n/p) và kích hoạt các chuyển pha điện tử từ bán dẫn sang bán kim hoặc kim loại. Những kết quả này không chỉ lấp đầy khoảng trống tri thức về cơ chế hạt tải trong hệ vật liệu khuyết tật mà còn cung cấp hệ luận cứ khoa học vững chắc cho việc định hướng thiết kế, tối ưu hóa các linh kiện nano thế hệ mới như transistor hiệu ứng trường và cảm biến hiệu suất cao.

2. Những kết quả mới của luận án

          Luận án đạt được những kết quả nghiên cứu mới, có giá trị học thuật và thực tiễn cao như sau:

Thứ nhất, luận án đã thiết lập và chuẩn hóa thành công hệ thống bộ tham số tương tác tái cấu trúc hiệu dụng đặc trưng cho các cấu hình sai hỏng DV và SW của AGNRs và BZGNRs dựa trên việc đối chứng với các tính toán nguyên lý ban đầu.

Thứ hai, luận án đã làm rõ cơ chế vật lý vi mô của sự hình thành trạng thái polaron bị bẫy và quy luật điều biến cấu trúc điện tử theo vị trí sai hỏng, chứng minh sai hỏng gần biên gây ra sự biến đối BS và DOS mạnh mẽ nhất.

Thứ ba, luận án đã phát hiện quy luật biến đổi đặc trưng dải năng lượng phẳng (flatband) trên silicene, chỉ ra sự suy giảm đột ngột độ dài dải flatband do quá trình tái cấu trúc 5–8–5, trực tiếp làm thay đổi bản chất truyền dẫn hạt tải của vật liệu.

Thứ tư, luận án đã chứng minh cơ chế điều khiển chủ động tính chất điện tử bằng điện trường vuông góc, cho phép điều biến linh hoạt độ rộng vùng cấm và chuyển đổi kiểu dẫn từ loại n sang loại p thông qua việc điều chỉnh chiều và ngưỡng điện thế.

Cuối cùng, luận án đã hệ thống hóa sự tương tác giữa các dạng sai hỏng phức tạp thông qua mô hình d5d7, làm rõ cơ chế tái cấu trúc SW phát sinh như một hệ quả tất yếu để cực tiểu hóa năng lượng tự do, dẫn đến sự gia tăng đáng kể số lượng các kênh chuyển dời điện tử quanh mức Fermi.

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

          Kết quả nghiên cứu của luận án là hệ luận cứ khoa học quan trọng, cung cấp cái nhìn toàn diện và có hệ thống về mối liên hệ mật thiết giữa sai hỏng cấu trúc, điện trường ngoài và tính chất điện tử của vật liệu graphene cùng các hệ tựa graphene. Công trình đã thiết lập và chuẩn hóa thành công các bộ tham số tương tác tái cấu trúc hiệu dụng, tạo cơ sở lý thuyết tin cậy cho việc định hướng thiết kế, mô phỏng và tối ưu hóa các linh kiện điện tử nano thế hệ mới như transistor hiệu ứng trường, các hệ cảm biến điện hóa có độ nhạy cao và thiết bị spintronics dựa trên chiến lược "kỹ thuật hóa sai hỏng".

Bên cạnh đó, các vấn đề cần tiếp tục triển khai trong tương lai bao gồm việc hoàn thiện phương pháp tính toán thông qua kết hợp chặt chẽ giữa mô hình TB và DFT nhằm hiệu chỉnh hệ thống bộ tham số tương tác một cách hệ thống và chính xác hơn. Phạm vi nghiên cứu cũng cần được mở rộng sang các dải nano có cấu trúc biên phức tạp như biên chiral, các vật liệu 2D tựa graphene mới như germanene, stanene, phosphorene hoặc các hệ dị cấu trúc nhằm tìm kiếm những trạng thái lượng tử mới phát sinh từ sự phá vỡ đối xứng giao diện. Ngoài ra, việc áp dụng hướng tiếp cận thống kê cho các hệ sai hỏng phức tạp với phân bố ngẫu nhiên và xem xét sâu hơn các yếu tố tác động ngoại vi như nhiệt độ, vai trò của chất nền, từ trường mạnh cùng các hiệu ứng spin–quỹ đạo sẽ góp phần thu hẹp khoảng cách giữa mô hình lý thuyết và thực tiễn thực nghiệm.

Thesis title: Investigation of the effects of defects on the band structure and electronic properties of graphene and graphene-like materials

- Major: Theoretical and Mathematical Physics.          Code: 9440103

- Full name of PhD student: NGO VAN CHINH       Year: 2021 (2^nd Round)

- Scientific supervisor: Assoc. Prof. Vu Thanh Tra

- Educational institution: Can Tho University

1. Content of thesis summary

          This dissertation presents a systematic theoretical investigation of the effects of atomic-scale structural defects, particularly divacancies (DVs) and Stone–Wales (SW) defects, on the band structure (BS) and electronic properties (EPs) of armchair graphene nanoribbons (AGNRs) and zigzag buckling silicene nanoribbons (ZBSiNRs). In the context of defect engineering emerging as a key strategy for tailoring the properties of two-dimensional (2D) materials, the study focuses on elucidating the mechanisms of lattice reconstruction and the formation of localized electronic states induced by structural defects.

          From a methodological perspective, the dissertation innovatively combines the matrix-based tight-binding (TB) method with the Green’s function formalism to provide a comprehensive description of the electronic structure of defective nanosystems. The incorporation of Green’s functions enables the accurate determination of the density of states (DOS) through the imaginary part of the trace of the Green’s function matrix, thereby clarifying the relationship between local geometric distortions around defect regions and the emergence of defect-induced localized states within the band gap. A key scientific contribution of this work is the establishment and parameterization of effective reconstructed hopping integrals characteristic of the 5–8–5 and d5d7 defect configurations in both AGNRs and ZBSiNRs. The study addresses the complex problem of bond-length and bond-angle variations in defect regions by determining the corresponding interaction parameters associated with atomic rearrangements that drive the system toward a local energy minimum. In particular, for ZBSiNRs, the dissertation accurately captures the variation of hopping parameters arising from the intrinsic buckled geometry associated with the coexistence of sp² and sp³ hybridizations. For the d5d7 configuration, the combined effects of DV and SW defects are systematically modeled through the calculation of effective interatomic distances and newly formed bond energies, providing a realistic description of free-energy minimization and local elastic-strain relaxation within the crystal lattice. These parameter sets are constructed under rigorous geometric constraints and further validated through close comparison with both ab initio calculations based on density functional theory within the GGA–PBE framework and reliable experimental data. This semi-empirical approach ensures high physical reliability for large-scale nanosystems while substantially reducing computational cost, thereby providing a solid foundation for predicting novel electronic characteristics and guiding the design of nanoelectronic devices through defect-engineering strategies.

          The central findings of the dissertation elucidate the microscopic physical mechanisms underlying the formation of trapped polaron states and localized in-gap energy levels, while systematically establishing the dependence of the electronic spectrum on defect position and configuration. Furthermore, the study provides an in-depth investigation of the interplay between structural defects and externally applied electric fields, demonstrating the possibility of actively controlling carrier polarity (n-type or p-type conduction) and inducing electronic phase transitions from semiconducting to semimetallic or metallic states. These results not only fill important knowledge gaps concerning charge-carrier behavior in defective low-dimensional materials but also provide a robust scientific framework for the design and optimization of next-generation nanoelectronic devices, including field-effect transistors and high-performance sensors.

2. The novel aspects from the thesis

          The dissertation has achieved several novel research outcomes of considerable academic significance and practical relevance, as summarized below:

          First, the dissertation successfully established and parameterized a system of effective reconstructed hopping parameters characteristic of DV and SW defect configurations in AGNRs and ZBSiNRs through systematic benchmarking against first-principles calculations.

          Second, the dissertation elucidated the microscopic physical mechanisms underlying the formation of trapped polaron states and the modulation of electronic structures by defect position, demonstrating that defects located near ribbon edges produce the most pronounced changes in the BS and DOS.

          Third, the dissertation revealed the characteristic evolution of flat band states in silicene nanoribbons, showing that the 5–8–5 reconstruction process induces a dramatic reduction in flatband length, thereby directly altering the charge transport behavior of the material.

          Fourth, the dissertation demonstrated a mechanism for the active control of electronic properties through the application of a perpendicular electric field, enabling flexible modulation of the bandgap width and reversible switching of the conduction type from n-type to p-type by adjusting the field direction and threshold potential.

          Finally, the dissertation systematically investigated the interplay among complex defect configurations within the d5d7 model, clarifying that SW reconstruction emerges as an energetically favorable consequence of free-energy minimization. This process leads to a significant increase in the number of available electronic transition channels in the vicinity of the Fermi level.

3. Application prospect and suggestions for further study

          The findings of this dissertation constitute an important scientific foundation, providing a comprehensive and systematic understanding of the intricate relationship among structural defects, external electric fields, and the electronic properties of graphene and graphene like materials. The work has successfully established and parameterized effective reconstructed hopping parameter sets, thereby providing a reliable theoretical framework for the design, simulation, and optimization of next generation nanoelectronic devices, including field effect transistors, highly sensitive electrochemical sensors, and spintronic devices based on defect engineering strategies.

In addition, several research directions warrant further investigation in the future. From a methodological perspective, computational approaches should be further refined through a closer integration of the TB method with DFT, enabling a more systematic and accurate calibration of the interaction parameter sets. The scope of the study should also be extended to nanoribbons with more complex edge geometries, such as chiral edges, as well as emerging graphene like two dimensional materials, including germanene, stanene, and phosphorene, and various heterostructures, with the aim of exploring novel quantum states arising from interface symmetry breaking. Furthermore, the application of statistical approaches to complex defective systems with randomly distributed defects, together with a more comprehensive consideration of external factors such as temperature, substrate effects, strong magnetic fields, and spin orbit coupling, would help bridge the gap between theoretical modeling and experimental realization.

• 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)