Phổ năng lượng electron và quang phổ hấp thụ của Graphene-Hexagonal Boron Nitride - Tạ Đình Hiến

Tài liệu Phổ năng lượng electron và quang phổ hấp thụ của Graphene-Hexagonal Boron Nitride - Tạ Đình Hiến: TAÏP CHÍ KHOA HOÏC ÑAÏI HOÏC SAØI GOØN Soá 4(29) - Thaùng 6/2015 33 Phổ năng lượng electron và quang phổ hấp thụ của Graphene-Hexagonal Boron Nitride Electron energy spectrum and optical absorption curves of Graphene-Hexagonal Boron Nitride TS. Tạ Đình Hiến Trường Đại học Sài Gòn Ph.D. Ta Dinh Hien Sai Gon University Tóm tắt Bài báo trình bày tổng quan những nghiên cứu về vật liệu graphene, hexagonal boron nitride (h-BN) và các ứng dụng của những vật liệu này trong kỹ thuật công nghệ nano. Tính toán đặc trưng phổ năng lượng electron và quang phổ hấp thụ của vật liệu graphene và hexagonal boron nitride đơn và đa lớp xen kẽ nhau, dựa trên cơ sở lý thuyết phiếm hàm mật độ có hiệu chỉnh tương tác van-der-Waals. Từ khóa: graphene, hexagonal boron nitride, lý thuyết phiếm hàm mật độ, phổ năng lượng electron, quang phổ hấp thụ Abstract In this article was presented overview of research on graphene, hexagonal boron nitride structure (h-BN) and application of...

pdf11 trang | Chia sẻ: quangot475 | Ngày: 18/01/2021 | Lượt xem: 32 | Lượt tải: 0download
Bạn đang xem nội dung tài liệu Phổ năng lượng electron và quang phổ hấp thụ của Graphene-Hexagonal Boron Nitride - Tạ Đình Hiến, để tải tài liệu về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên
TAÏP CHÍ KHOA HOÏC ÑAÏI HOÏC SAØI GOØN Soá 4(29) - Thaùng 6/2015 33 Phổ năng lượng electron và quang phổ hấp thụ của Graphene-Hexagonal Boron Nitride Electron energy spectrum and optical absorption curves of Graphene-Hexagonal Boron Nitride TS. Tạ Đình Hiến Trường Đại học Sài Gòn Ph.D. Ta Dinh Hien Sai Gon University Tóm tắt Bài báo trình bày tổng quan những nghiên cứu về vật liệu graphene, hexagonal boron nitride (h-BN) và các ứng dụng của những vật liệu này trong kỹ thuật công nghệ nano. Tính toán đặc trưng phổ năng lượng electron và quang phổ hấp thụ của vật liệu graphene và hexagonal boron nitride đơn và đa lớp xen kẽ nhau, dựa trên cơ sở lý thuyết phiếm hàm mật độ có hiệu chỉnh tương tác van-der-Waals. Từ khóa: graphene, hexagonal boron nitride, lý thuyết phiếm hàm mật độ, phổ năng lượng electron, quang phổ hấp thụ Abstract In this article was presented overview of research on graphene, hexagonal boron nitride structure (h-BN) and application of these structures in nanotechnology. The electron energy spectrum and the optical absorption curves of monolayer graphene, monolayer layer h-BN and multilayer graphene-h-BN structure were calculated by computational scheme, based on the density functional theory with dispersion interactions van-der-Waals. Keywords: graphene, hexagonal boron nitride, density functional theory, electron energy spectrum, optical absorption spectrum 1. Tổng quan tình hình nghiên cứu và ứng dụng graphene, hexagonal boron nitride Graphene là một lớp vật liệu cacbon hai chiều có cấu trúc mạng tinh thể hình lục giác với chiều dài cạnh là 1.42 Å và trên mỗi đỉnh lục giác là một nguyên tử cacbon [1, 2]. Cấu trúc tinh thể graphite được cấu tạo từ nhiều lớp graphene và khoảng cách giữa các lớp là 3.35 Å. Hexagonal boron nitride cũng có cấu trúc mạng hai chiều tương tự gaphene với độ dài cạnh lục giác là 1.46 Å và trên đỉnh lục giác là nguyên tử Bo (B) và nitơ (N) [3]. Graphene được xếp vào vật liệu bán kim loại bởi không có bề rộng vùng cấm năng lượng và h-BN là vật liệu bán dẫn. Graphene được chế tạo thành công và thu nhận bằng thực nghiệm vào năm 2004, đã thu hút nhiều nhà khoa học và các viện nghiên cứu trên thế giới nghiên cứu vật liệu này về phương diện lý thuyết cũng như phương pháp chế tạo và ứng dụng bởi graphene sở hữu những tính năng đặc biệt 34 như: tính dẫn nhiệt và dẫn điện cao hơn các vật liệu biết đến hiện nay, sự phụ thuộc của tính chất điện tử vào các thành phần hóa học được hấp thụ trên bề mặt graphene, bề rộng vùng cấm năng lượng có thể điều chỉnh được, hiệu ứng Hall lượng tử, độ dịch chuyển của hạt mạng điện cao, tính đàn hồi lớn. Với tất cả những tính chất được liệt kê trên thì graphene rất tiềm năng trong vai trò thay thế vật liệu Silicon trong chế tạo thành phần linh kiện điện tử và cải thiện khả năng chịu lực, dẫn điện và dẫn nhiệt của các linh kiện điện tử kích thước nano mét. Hiện nay mỗi năm có hàng trăm bài báo công bố trên các tạp chí quốc tế về nghiên cứu cơ bản và ứng dụng của vật liệu graphene, trong số đó bài báo [4] trình bày tổng quát và liệt kê những tính chất lý-hóa của graphene, tổng quan về các phương pháp chế tạo graphene và đồng thời tác giả phân tích tiềm năng ứng dụng vật liệu graphene trong tương lai. Ngoài vật liệu hai chiều graphene, các nhà khoa học [3] đã thành công trong việc chế tạo một hoặc nhiều lớp vật liệu h-BN bằng phương pháp ngưng tụ hóa học trong chân không. Sự thành công này đã kích thích cho việc nghiên cứu và chế tạo vật liệu hai chiều khác như Silicene, Germanene và MoS2. Đến ngày nay, các khoa học gia của IBM đã chế tạo thành công chip trên nền graphene và đã tạo ra transitor mới với chiều dài kênh xử lý dưới 10 nm. Chip tích hợp trên transitor như vậy đạt được tần số 5 GHz, so với chip tích hợp trên Silicon thông thường thì chưa đạt được. Các transitor này hứa hẹn sẽ ứng dụng rộng rãi trong sản xuất pin mặt trời và màn hình LED trong tương lai [5]. Ngoài ra graphene còn được ứng dụng trong chế tạo ăng ten thu được tần số 300 GHz [6]. Tuy nhiên graphene là vật liệu bán kim loại nên còn hạn chế trong việc sử dụng trực tiếp graphene để chế tạo transitor vì thiếu vùng cấm năng lượng nên gặp khó khăn trong việc tạo ra hai trạng thái đóng và ngắt. Vì vậy tạo ra vùng cấm năng lượng trong cấu trúc graphene là vấn đề cấp bách hiện nay trong việc nghiên cứu vật liệu này. Đã có những phương pháp khác nhau như: tạo khuyết tật cấu trúc bên trong graphene, liên kết với các nguyên tử hoạt tính trên bề mặt, và hiệu ứng lượng tử kích thước. Với tính cấp bách đó, thì việc tính toán và khảo sát sự tương tác xen kẽ lẫn nhau giữa hai lớp vật liệu có cấu trúc tương tự là graphene và h-BN nhằm tìm ra sự thay đổi tính chất điện tử cũng như vùng năng lượng của hệ cấu trúc graphene- hexagonal boron nitride là cần thiết. 2. Phương pháp nghiên cứu và tính toán Để tính toán phổ năng lượng electron và quang phổ hấp thụ của vật liệu graphene và hexagonal boron nitride, tôi đã sử dụng phương pháp tính toán dựa trên lý thuyết phiếm hàm mật độ (DFT) [7], áp dụng cho trường hợp cấu trúc tịnh tiến đối xứng. Phương pháp tính toán này đã được vận dụng trong gói phần mềm SIESTA [8] và có bổ sung hiệu chỉnh tương tác van-der- Waals giữa các nguyên tử. Chúng tôi đã thành công trong việc áp dụng phương pháp tính toán này để tính toán phổ năng lượng của cấu trúc nhiều lớp graphene có hấp thụ nguyên tử kim loại kiềm và kết quả đã được đăng trên tạp chí Nanotechnologies in Russia [16]. Trong quá trình tính toán đã sử dụng phương pháp xấp xỉ Gradient tổng quát (GGA) với phiếm hàm trao đổi tương quan Perdew–Burke–Ernzerhof [9] và bộ đôi hàm cơ sở của các obitals hóa trị có phân cực (DZP- basic). Sự tương tác giữa các nguyên tử ở trong các lớp vật liệu ở khoảng cách xa được miêu tả thông qua phương pháp phiếm hàm mật độ van-der- Waals (vdW-DF) [10]. Ảnh hưởng của các electron lớp trong gần hạt nhân được tính đến nhờ giả thế năng Troullier-Martins [11] với dạng Kleinman-Bylander [12]. Vị trí tọa độ các nguyên tử trong ô mạng cơ sở 35 và chiều dài của các vectơ tịnh tuyến đã được tối ưu hóa cho đến khi tổng năng lượng của hệ đạt được giá trị nhỏ nhất. Sự tối ưu cấu trúc được diễn ra cho đến khi thành phần tương tác của các lực nguyên tử đạt được nhỏ hơn 0.01 eV/Å. Từ kết quả tính toán nhận được xây dựng giản đồ năng lượng (k) và mật độ trạng thái của electron ( )  . Sự hấp thụ photon của vật liệu gaphene và boron nitride được tính toán thông qua phần ảo của hệ số độ thẩm điện môi. Trong bài báo, tôi đã nghiên cứu và tính toán sự hấp thụ photon của vật liệu graphene và h-BN trong trường hợp sóng điện từ có phân cực của vectơ điện trường song song với bề mặt các lớp vật liệu. Quang phổ hấp thụ ( )  thể hiện thông qua sự phụ thuộc thành phần ảo của độ thẩm điện môi vào năng lượng photon được hấp thụ. Để tính toán cấu trúc điện tử và quang phổ hấp thụ ta phải giải phương trình Kohn-sham (1):   2 2 2 j xc j j j e 0 e ρ(r ) eV(r) dr V ρ(r) ψ ε ψ , 2m 4πε r r             (1) ở đây: e và me - điện tích và khối lượng của electron; 2 j j ρ(r) ψ (r) - mật độ electron; jψ (r) - hàm sóng của j- electron; εj – giá trị riêng của toán tử Kohn-Sham; V(r) - thế năng được tạo bởi hạt nhân;  xcV ρ(r) - thế năng trao đổi- tương quan. Để tính toán cấu trúc điện tử của hệ nhiều nguyên tử có đối xứng tuyến tính thì hàm sóng electron trong hệ được biểu diễn dưới dạng hàm Block tổng hợp các obitals nguyên tử: nik R j jμ μ n μ n ψ (k, r) C (k) e χ (r R ) ,   (2) ở đây μχ (r) - obital nguyên tử; jμC (k) - ma trận hệ số khai triển; k - vectơ sóng; nR - vectơ chuyển vị. Với phương trình (2) thì phương trình (1) sẽ có dạng:  jμ νμ νμ ν C (k) F (k) εS (k) 0,  ν,μ 1,2,...,N, (3) ở đây n ν ik R * νμ μ n n ˆF (k) e χ (r) F χ (r R )  - phần tử ma trận của toán tử Fock; n ν ik R * νμ μ n n S (k) e χ (r) χ (r R )  - tích phân che phủ của các obitals nguyên tử; N – số electron hóa trị trong ô mạng tinh thể mở rộng được sử dụng để tính toán. 36 Hình 1. Sơ đồ thuật toán giải phương trình Kohn-Sham dựa trên lý thuyết phiếm hàm mật độ Hệ phương trình (3) được giải bằng phương pháp lặp xấp xỉ. Trên cơ sở giải phương trình (3) ta nhận được những giá trị đặc trưng cho phổ năng lượng cũng như cho tính chất điện tử của cấu trúc. Chẳng hạn mật độ trạng thái của electron trong hệ được biểu diễn theo công thức sau: n n jν ik R R* (A) jμ νμ j μ j μ ν n A μBZ BZ 1 η(ε) C (k)C (k)e S (k)δ(ε ε (k))dk η (ε) V     (4); ở đây: BZV - thể tích của vùng Brilloiun; (A) μη (ε) - mật độ riêng phần của các obital nguyên tử A. Trên cơ sở biết được các hàm riêng và các giá trị riêng của toán tử Kohn-Sham ta có thể tính tensơ của phần ảo độ thẩm điện môi dựa trên công thức sau: 2 * * αβ α β2 2 2 0 f fe ηˆ ˆε (ω) P dr P dr ε mω V m (ω ω ω) η l l l l l l l l l l l                    , (5) 37 ở đây: V – thể tích phần tử ô mạng cơ sở; fl - sác xuất lấp đầy trạng thái thứ l; l - hàm sóng của trạng thái l không có trường điện từ ngoài; αPˆ - hình chiếu của toán tử xung lượng α; ωl l ; ω – tần số của trường điện từ ngoài. Thuật toán giải phương trình Kohn- Sham được minh họa bằng sơ đồ khối trên hình 1. 3. Phổ năng lượng electron và quang phổ hấp thụ của graphene và hexagonal boron nitrde Để tính toán tính chất điện tử của vật liệu bằng phần mềm tính toán SIESTA, bước đầu tiên ta phải xây dựng mô hình cấu trúc của vật liệu và xác định các thông số cấu trúc tinh thể. Tối ưu hóa cấu trúc để đạt được cấu trúc bền vững nhất. Trên hình 2 minh họa ô cơ sở mở rộng của cấu trúc vật liệu lớp hai chiều graphene và h-BN. Vì cấu trúc có tính tuần hoàn nên ta có thể áp dụng điều kiện biên tuần hoàn lên mẫu 4×4=16 ô cở sở. Điều này tương ứng lấy tổng 16 điểm đối xứng của vectơ sóng 1 2,n n k k (kể cả điểm 0k  ) trên vùng Brillouin trong tính toán năng lượng của cấu trúc: 1 2 1 2 , 1 2 1 2 ,n n n n k b b N N   (6) ở đây b  1 và b  2 là vectơ tịnh tiến trong không gian mạng đảo, có liên quan đến vectơ a 1 và a 2 (hình 2) tương ứng i j ija b  ( ij - ký hiệu Kronecker), i, j = 1, 2; 1n - và 2n - số nguyên lấy trong khoản 1 đến N1 và N2 tương ứng; 1 2 4N N N   - số ô cơ sở trong ô cơ sở mở rộng trên một phương truyền. Hình 2. Ô cơ sở mở rộng 4×4 cho cấu trúc mạng hai chiều a) graphene; b) hexagonal boron nitride; a 1 và a 2 - vectơ tịnh tiến ô cơ sở; 1t  , 2t – vectơ tịnh tiến ô cơ sở mở rộng Kết quả tính toán về sơ đồ vùng năng lượng và mật độ trạng thái của electron tự do trong một lớp graphene (hình 3a) và h- BN (hình 3b). Vùng hóa trị và vùng dẫn trên sơ đồ năng lượng của vật liệu graphene tiếp xúc nhau tại điểm K của vùng Brillouin và thiếu vắng vùng cấm năng lượng. Mức thế năng hóa học µ trùng với giá trị cao nhất của vùng hóa trị, kết quả này phù hợp khá tốt với kết quả nghiên cứu bằng thực nghiệm của graphene. Điều này càng khẳng định mức độ tin cậy của phương pháp và phần mềm tính toán. 38 Hình 3. Sơ đồ vùng năng lượng và mật độ trạng thái của electron tự do trong: a) graphene; b) h-BN; c) Vùng Brillouin của cấu trúc tinh thể có dạng lục giác. Đối với h-BN nhận được giá trị vùng cấm năng lượng g = 4,5 eV, là một chất bán dẫn. Sơ đồ mật độ trạng thái ( )  , tương ứng với phổ năng lượng electron, thể hiện số trạng thái năng lượng electron có thể có được trong một đơn vị năng lượng. Trong phần này tôi đã nghiên cứu sự hấp thụ photon của vật liệu graphene và h- BN trong trường hợp sóng điện từ có phân cực của véctơ điện trường E song song với bề mặt vật liệu graphene và h-BN. Dựa trên các giá trị riêng và các hàm riêng trong quá trình giải phương trình Kohn-Sham, tính toán và xây dựng quang phổ hấp thụ của vật liệu graphene và h-BN, kết quả được thể hiện trên hình 4. Hình 4. Quang phổ hấp thụ của vật liệu graphene (a) và h-BN (b);   - phần ảo độ thẩm điện môi. Trong quang phổ hấp thụ của graphene ở hình 4a có 2 dải năng lượng hấp thụ của electron ћω = 0 ÷ 6.0 eV và ћω = 11÷ 15 eV, tương ứng với sự dịch chuyển của electron từ vùng hóa trị đến vùng dẫn. Đỉnh giá trị cực đại của quang phổ hấp thụ photon của graphene lần lượt là E1 = 0.3 eV; E2 = 4.0 eV; E3 = 13.0 eV. Trong quang phổ hấp thụ của h-BN ở hình 4b thì dải năng lượng được hấp thụ để electron dịch chuyển từ vùng hóa trị lên vùng dẫn là ћω = 4.2 ÷ 8.0 eV và ћω > 12 eV. Và đỉnh quang phổ hấp thụ là E4 = 5,6 eV, E5 = 14.0 eV. Gía trị của điểm cực đại trên quang phổ năng lượng hấp thụ của graphene trong tính toán của tôi là E2 = 4.0 eV, kết quả này phù hợp với kết quả của tác giả trong bài báo [13]. Đối với hexagonal boron nitride giá trị điểm cực đại E4 nhận được bởi tôi là 5.6 eV, nhỏ hơn 0.2 eV so với kết quả của tác giả trong bài báo [14] (trong bài báo này E4 = 5.8 eV). 4. Phổ năng lượng electron nhiều lớp graphene và hexagonal boron nitrde xen kẽ nhau Hình 5. Cấu trúc vật liệu hai chiều graphene-hexagonal boron nitride đan xen nhau. E - Vectơ điện trường của trường điện từ ngoài. 39 Graphene là vật liệu bán kim loại, còn h-BN là vật liệu bán dẫn, chúng có cấu trúc tinh thể giống nhau hình lục giác và hằng số mạng tinh thể khác nhau 2%, vì vậy cấu trúc graphene và h-BN có thể thay thế lẫn nhau và làm thay đổi được tính chất điện tử bên trong của vật liệu. Vì vậy nghiên cứu sự tương tác cấu trúc và sự thay đổi tính chất điện tử của hỗn hợp vật liệu graphene- hexagonal boron nitride xen kẽ nhau dựa trên thuyết phiếm hàm mật độ là cần thiết. Trong phần này tôi nghiên cứu từ 2 đến 4 lớp graphene và h-BN xen kẽ nhau, khảo sát tất cả các khả năng định hướng cấu trúc có thể để tạo nên cấu trúc hỗn hợp graphene-h-BN. Trên hình 5 minh họa cấu trúc hỗn hợp graphene-h-BN xen kẽ nhau. Hình 6. Các cấu trúc của graphene-hexagonal boron nitride; trên hình minh họa số nguyên tử trong một ô cơ sở; l- số lớp; dấu “ ' ” kí hiệu cho những nguyên tử đối diện nhau; vòng tròn bên dưới kí hiệu cho nguyên tử có vị trí trùng với vị trí tâm của hình lục giác của lớp bên cạnh. 40 Trước khi tính toán phổ năng lượng và quang phổ hấp thụ, cấu trúc graphene- hexagonal boron nitride đã được tối ưu hóa trong từng trường hợp cụ thể để đạt được giá trị nhỏ nhất về năng lượng và tính ổn định cấu trúc. Kết quả tính toán cho thấy khoảng cách giữa các lớp graphene và h-BN phụ thuộc vào dạng định hướng của graphene và h-BN, kết quả này minh họa cụ thể trên hình 6. So với khoảng cách giữa các lớp graphene tinh khiết d = 3.33 Å thì giá trị khoảng cách giữa các lớp graphene và h-BN trong trường hợp /C C N B   ; / /C C B N C C     ; / /N B C C N B     ; / / /C C N B C C N B       không thay đổi nhiều d = 3.31 Å. Trong các trường hợp còn lại thì giá trị khoảng cách giữa các lớp tăng từ 3.47 ÷ 3.52 Å. Tất cả các trường hợp trên, giá trị khoảng cách giữa các lớp cạnh nhau trong một cấu trúc có giá trị bằng nhau, ngoại trừ trường hợp / /N B C C B N     , trong đó  ( ) ( )d N B C C   = 3.33 Å và  ( ) ( )d C C B N   = 3.51 Å. Tôi đã thực hiện tính toán các đặc tính năng lượng của nhiều lớp graphene-h-BN trong tất cả các trường hợp có và không có sự hiệu chỉnh tương tác van-der-Waals. Kết quả tính toán cho thấy năng lượng liên kết giữa các lớp tăng thêm 30% trong trường hợp có hiệu chỉnh tương tác van-der- Waals. Khoảng cách giữa các lớp d giảm 1% và giá trị mức thế năng hóa học μ tăng lên 1%. Phổ năng lượng electron (k) và mật độ trạng thái ( )  cũng như quang phổ hấp thụ ( )  không thay đổi. Trên hình 7 thể hiện phổ năng lượng electron của graphene, h-BN và hỗn hợp graphene-h-BN. Tính toán cho thấy sự hình thành cấu trúc graphene-h-BN xen kẽ nhau từ các đơn lớp graphene và h-BN có lợi hơn về năng lượng. Giá trị năng lương có lợi này nhận được là ∆Е ≈ 0.13 eV, được tính cho một cặp nguyên tử (C-C)/(B-N). Điều này chứng tỏ sự hình thành cấu trúc graphene-h-BN xen kẽ nhau từ các đơn lớp graphene và h-BN sẽ là một cấu trúc bền và ổn định. Hình 7. Sơ đồ vùng năng lượng và mật độ trạng thái của electron tự do trong: a) graphene; b) hexagonal boron nitride; c) hỗn hợp graphene-hexagonal boron nitride. Mức thế năng hóa học μ, đặc trưng cho công thoát nhiệt động của electron lớp ngoài cùng (khả năng bức xạ electron), có giá trị là 3.65   eV cho graphene đơn lớp và 2.9   eV cho h-BN đơn lớp. Trong trường hợp đa lớp, nếu lớp graphene ở bên ngoài thì giá trị thế năng hóa học giảm 3.62 3.91     eV, nếu lớp hexagonal boron nitride ở ngoài thì 3.94 4.21     eV. Nhận thấy rằng 41 mức thế năng hóa học giảm cùng với sự có lợi về năng lượng khi hình thành cấu trúc graphene-h-BN sẽ làm tăng lên công thoát của electron. Kết quả tính toán cho thấy rằng phổ năng lượng electron của nhiều lớp graphene-h-BN (hình 7c) là tổng hợp phổ năng lượng của đơn lớp graphene và h-BN. Hình 8. Sơ đồ vùng năng lượng của tất cả các khả năng định hướng cấu trúc của hỗn hợp graphene-boron nitride tại điểm K của vùng Brillouin: a) hai lớp; b) ba lớp; c) bốn lớp. Sự hình thành tổ hợp cấu trúc graphene-h-BN trong đó các lớp graphene không có vùng cấm năng lượng và h-BN có vùng cấm năng lượng lớn, cùng với sự tương tác van-der-Waals làm xuất hiện khe năng lượng cỡ 0.01 ÷ 0.05 eV với cấu trúc /CC BN ; /C C B N   ; /C C N B   ; / /B N C C B N     ; / /N B C C N B     . Đối với cấu trúc / /BN CC BN ; / /N B C C B N     thì khe năng lượng đạt được 0.05 ÷ 0.1 eV. Ngoài ra các cấu trúc có lớp graphene ở bên ngoài như: / /CC BN CC ; / /C C N B C C     ; / /C C B N C C     ; / /NB CC BN ; / / /CC BN CC BN ; / / /C C B N C C B N       ; / / /C C N B C C N B       thì thiếu vắng khe năng lượng (hình 8). Những giá trị nhận được của việc tính toán trên phù hợp với kết quả của tác giả trong bài báo [15], trong đó tác giả đã sử dụng lý thuyết phiếm hàm mật độ (DFT) với xấp xỉ mật độ địa phương (LDA) để nghiên cứu các đặc tính tương tác một lớp graphene trên bề mặt tinh thể hexagonal boron nitride. Tuy nhiên sự hình thành khe cấm năng lượng khá nhỏ cũng cần tính đến ảnh hưởng do sự hạn chế trong lý thuyết phiếm hàm mật độ và hệ quả của quá trình tự hợp 42 sẽ làm dịch chuyển vùng dẫn xuống giá trị thấp hơn. Hình 9. Quang phổ hấp thụ của graphene-hexagonal boron nitride a) ( ) /( )CC BN ; b) ( ) /( ) /( )CC BN CC ; c) ( ) /( ) /( )NB CC BN ; e) ( ) /( ) /( ) /( )CC BN CC BN ; ô hình chữ nhật là vùng ánh sáng thấy được. Trên hình 9 thể hiện quang phổ hấp thụ của nhiều lớp graphene-hexagonal boron nitride trong dải năng lượng photon 14 eV  . Quang phổ hấp thụ này là kết quả của sự hấp thụ và dịch chuyển electron từ vùng hóa trị 2pN,C đến vùng dẫn có năng lượng electron ε > µ. Quang phổ hấp thụ của graphene-hexagonal boron nitride là sự kết hợp của quang phổ hấp thụ của graphene và h-BN đơn lớp, trong đó các điểm cực đại của quang phổ dịch chuyển phụ thuộc vào số lượng lớp graphene và h- BN. Vùng hấp thụ năng lượng photon của graphene-h-BN mạnh nhất là trong vùng hồng ngoại có năng lượng 1.7 eV  , và cả trong vùng ánh sáng thấy được. Vì vậy vật liệu graphene-h-BN có tiềm năng trong việc sử dụng để chế tạo các linh kiện điện tử có độ nhạy sáng cao. 5. Kết luận Thực hiện tính toán phổ năng lượng electron của cấu trúc đa lớp graphene-h-BN xen kẽ nhau trên cơ sở lý thuyết phiếm hàm mật độ có hiệu chỉnh tương tác van-der- Waals cho thấy rằng cấu trúc này bền và ổn định. Sự dịch chuyển mức thế năng hóa học µ về phía năng lượng thấp hơn của cấu trúc graphene-h-BN hình thành từ các đơn lớp sẽ làm giảm khả năng bức xạ electron của cấu trúc đó. Khe vùng cấm năng lượng xuất hiện hoặc thiếu vắng trong cấu trúc graphene-h-BN và phụ thuộc vào dạng định hướng của các lớp. Quang phổ hấp thụ và cường độ hấp thụ photon của graphene-h- BN phụ thuộc vào số lượng lớp và dạng định hướng của các lớp. Kết quả nghiên cứu giúp các nhà khoa học định hướng trong tìm kiếm vật liệu mới ứng dụng trong kỹ thuật nano và micro tương lai. TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. Novoselov K. S (2005), “Two-dimensional gas of massless Dirac fermions in graphene”, Nature, Vol. 438, 197-200. 2. Geim A. K., Novoselov K. S. (2007), “The rise of graphene”, Nature Materials. Vol .6, 183-191. 3. Ariel Ismach [et al.] (2012), “Toward the Controlled Synthesis of Hexagonal Boron Nitride Films”, ACS. Nano, Vol. 6, (7), 6378-6385. 4. By Yanwu Zhu, Shanthi Murali, Weiwei Cai [et al.] (2010), “Graphene and Graphene Oxide: Synthesis, Properties, and Applications”, Advanced Materials, Vol. 22, 3906–3924. 5. S. Bae [et al.] (2010), “Roll-to-roll production of 30-inch graphene films for transparent electrodes”, Nature Nanotechnology, Vol. 5, 574-578. 6. Vladimir Volman [et al.] (2014), “Radiofrequency Transparent, Electrically Conductive Graphene Nanoribbon Thin Films as Deicing Heating Layers”, ACS. Appl. Mater. Interfaces, Vol. 6. (1), 298-304. 43 7. Martin R.M (2004), “Electronic Structure. Basic theory and practical methods”, New York: Cambridge University Press, 624 p. 8. Soler J.M. [et al.] (2002), “The SIESTA method for ab initio order-N materials simulation”, Journal of Physics Condensed Matter, Vol. 14, 2745–2779. 9. Perdew J.P., Burke K., Ernzerhof M. (1996), “Generalized Gradient Approximation Made Simple”, Physical Review Letters, Vol. 77. (18), 3865–3868. 10. M. Dion [et al.] (2004), “Van der Waals Density Functional for General Geometries”, Physical Review Letters, Vol. 92 (24), 246401. 11. Troullier N., Martins J.L. (1991), “Efficient pseudopotentials for plane-wave calculations”, Physical Review B, Vol. 43 (3), 1993–2006. 12. Kleinman L., Bylander D.M. (1982), “Efficacious Form for Model Pseudopotentials, Physical Review Letters, Vol. 48 (20), 1425–1428. 13. Sedelnikova O. V, Bulusheva L. G., Okotrub A. V. (2011), “Ab initio study of dielectric response of rippled graphene”, The Journal of Chemical Physics, Vol. 134, 244707. 14. Giancarlo Cappellini, Guido Satta (2001), “Optical properties of BN in cubic and layered hexagonal phases”, Physical Review B, Vol. 64, 035104. 15. Gianluca Giovannetti [et al.] (2007), “Substrate-induced band gap in graphene on hexagonal boron nitride: Ab initio density functional calculations”, Physical Review B, Vol. 76, 073103. 16. А.О. Litinskii, Ta Dinh Hien (2011), “Energy spectrum of electrons in multilayer graphenes doped with atoms of alkaline metals”. Nanotechnologies in Russia. V.7, (3-4),140-148. Ngày nhận bài: 21/4/2015 Biên tập xong: 20/6/2015 Duyệt đăng: 25/6/2015

Các file đính kèm theo tài liệu này:

  • pdf89_1198_2221579.pdf
Tài liệu liên quan