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...
11 trang |
Chia sẻ: quangot475 | Lượt xem: 478 | Lượt tải: 0
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:
- 89_1198_2221579.pdf