Nội dung

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI NGUYỄN THỊ THẢO NGHIÊN CỨU MÔ HÌNH HÓA VÀ MÔ PHỎNG CẤU TRÚC NANO XỐP ZnO LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ Hà Nội - 2017 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI NGUYỄN THỊ THẢO NGHIÊN CỨU MÔ HÌNH HÓA VÀ MÔ PHỎNG CẤU TRÚC NANO XỐP ZnO Chuyên ngành: Vật lý lý thuyết và vật lý toán Mã số: 62440103 LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS. TS. Vũ Ngọc Tước Hà Nội - 2017 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi, được thực hiện dưới sự hướng dẫn của PGS. TS. Vũ Ngọc Tước. Các kết quả nêu trong luận án là trung thực và chưa từng được ai khác công bố. Hà Nội, ngày tháng Giáo viên hướng dẫn năm Tác giả luận án PGS. TS. Vũ Ngọc Tước Nguyễn Thị Thảo i LỜI CẢM ƠN Đầu tiên, tôi xin tỏ lòng cảm ơn sâu sắc tới người thầy của tôi - PGS.TS. Vũ Ngọc Tước. Trong quá trình làm việc thực hiện luận án, tôi đã nhận được sự hướng dẫn tận tình của Thầy. Thầy đã động viên, khích lệ tôi vượt qua khó khăn trong công việc, cũng như đặt ra các vấn đề nghiên cứu có tính thời sự cao và tạo hứng khởi trong nghiên cứu để tôi theo đuổi đề tài luận án. Tiếp theo tôi xin cảm ơn sự chân thành giúp đỡ, đóng góp ý kiến về mặt khoa học cũng như sự động viên tinh thần, tạo mọi điều kiện thuận lợi của các đồng nghiệp, các Thầy cô trong viện Vật lý kỹ thuật và Viện đào tạo sau đại học, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội và cơ quan chủ quản của tôi Trường Đại học Hồng Đức. Cuối cùng, tôi xin cảm ơn sự động viên, tạo điều kiện tốt nhất của Gia đình tôi, đặc biệt là bố mẹ, chồng và các con tôi để tôi có thể tập trung nghiên cứu và hoàn thành luận án này. Hà Nội, ngày tháng năm Tác giả luận án Nguyễn Thị Thảo ii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ................................................................................................................... i LỜI CẢM ƠN........................................................................................................................ ii MỤC LỤC ............................................................................................................................ iii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT........................................................... vi DANH MỤC CÁC BIỂU BẢNG......................................................................................... ix DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ ĐỒ THỊ ................................................................................ x MỞ ĐẦU ............................................................................................................................ xiv CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU VÀ CÁC CẤU TRÚC NANO BÁN DẪN THẤP CHIỀU ....................................................................................................................... 1 1.1. Tổng quan về vật liệu và cấu trúc nano bán dẫn thấp chiều ....................................... 2 1.1.1. Định nghĩa vật liệu nano ...................................................................................... 2 1.1.2. Phân loại vật liệu nano ......................................................................................... 3 1.1.3. Chế tạo vật liệu nano ............................................................................................ 6 1.2. Tổng quan về các vật liệu nghiên cứu ...................................................................... 12 1.2.1. Sơ lược về vật liệu bán dẫn ................................................................................ 12 1.2.2. Phân loại vật liệu bán dẫn theo cấu trúc nguyên tử ............................................ 13 1.2.3. Vật liệu ôxit kẽm (ZnO) ..................................................................................... 13 1.2.3.1. Đặc điểm cấu trúc và các thuộc tính:.......................................................... 14 1.2.3.2. Ứng dụng tiềm năng ................................................................................... 18 1.3. Cấu trúc nano xốp ..................................................................................................... 23 1.3.1. Phân loại nano xốp ............................................................................................. 23 1.3.2. Zeolite - Nano xốp vô cơ .................................................................................... 26 1.3.3. Khung kim loại hữu cơ - MOF ........................................................................... 27 1.3.4. Siêu vật liệu ........................................................................................................ 28 1.3.5. Các tinh thể Fullerite .......................................................................................... 31 1.3.6. Các khoáng sét nanoclay .................................................................................... 32 1.4. Kết luận ..................................................................................................................... 34 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT PHIẾM HÀM MẬT ĐỘ VÀ GẦN ĐÚNG LIÊN KẾT CHẶT DỰA TRÊN DFT ..................................................................................................... 35 2.1. Phương trình Schrödinger độc lập thời gian ............................................................ 35 2.2. Gần đúng Born-Oppenheimer ................................................................................... 36 2.3. Lý thuyết phiếm hàm mật độ DFT............................................................................ 38 iii 2.3.1. Các Định lý Höhenberg-Kohn............................................................................ 39 2.3.2. Phương trình Kohn-Sham .................................................................................. 40 2.3.3. Thế hiệu dụng Kohn-Sham ................................................................................ 42 2.3.4. Phiếm hàm trao đổi tương quan ......................................................................... 42 2.3.4.1. Gần đúng mật độ cục bộ ............................................................................. 43 2.3.4.2. Gần đúng Gradient tổng quát ..................................................................... 44 2.3.5. Phương pháp trường tự hợp ............................................................................... 45 2.4. Phương pháp phiếm hàm mật độ kết hợp gần đúng liên kết chặt tự hợp điện tích SCC-DFTB ...................................................................................................................... 47 2.4.1. Mô hình gần đúng liên kết chặt .......................................................................... 47 2.4.2. Phương pháp SCC-DFTB .................................................................................. 48 2.4.2.1. Sắp xếp lại công thức năng lượng tổng Kohn-Sham .................................. 49 2.4.2.2. Các gần đúng SCC-DFTB .......................................................................... 50 2.5. Kết luận ..................................................................................................................... 54 CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU CÁC CẤU TRÚC NANO XỐP MẬT ĐỘ THẤP BẰNG PHƯƠNG PHÁP TIẾP CẬN TỪ DƯỚI LÊN .................................................................... 56 3.1. Phương pháp dự đoán cấu trúc bằng cách tiếp cận từ dưới lên ................................ 56 3.2. Tính toán chi tiết ....................................................................................................... 65 3.2.1. Năng lượng liên kết, độ bền vững của cấu trúc.................................................. 65 3.2.2. Cấu trúc vùng năng lượng của điện tử [29]........................................................ 68 3.2.3. Các thông số cấu trúc ......................................................................................... 71 3.3. Kết luận ..................................................................................................................... 74 CHƯƠNG 4: NGHIÊN CỨU CÁC CẤU TRÚC NANO XỐP KÊNH RỖNG DẠNG LỤC GIÁC BẰNG PHƯƠNG PHÁP TIẾP CẬN TỪ TRÊN XUỐNG ...................................... 76 4.1. Phương pháp thiết kế cấu trúc bằng phương pháp từ trên xuống ............................. 76 4.2. Chi tiết tính toán ....................................................................................................... 78 4.2.1. Năng lượng dao động tự do ................................................................................ 81 4.2.2. Tính mật độ trạng thái phonon bằng lý thuyết DFT........................................... 83 4.3. Các cấu trúc nano xốp kênh rỗng dạng lục giác ....................................................... 84 4.3.1. Mô tả về cách phân loại cấu trúc ........................................................................ 84 4.3.2. Năng lượng liên kết, độ bền vững của pha và phương trình trạng thái .............. 87 4.3.3. Cấu trúc vùng điện tử ......................................................................................... 89 4.3.4. Kết quả và thảo luận ........................................................................................... 94 4.4. Kết luận ................................................................................................................... 101 iv CHƯƠNG 5: NGHIÊN CỨU CÁC CẤU TRÚC NANO XỐP KÊNH RỖNG DẠNG TAM GIÁC VÀ THOI BẰNG PHƯƠNG PHÁP TIẾP CẬN TỪ TRÊN XUỐNG ................... 102 5.1. Thiết kế các cấu trúc nano xốp kênh rỗng dạng thoi và tam giác ........................... 102 5.2. Chi tiết tính toán ..................................................................................................... 105 5.3. Đánh giá độ bền vững của cấu trúc ......................................................................... 106 5.4. Mô phỏng ảnh nhiễu xạ tia X.................................................................................. 109 5.5. Tính chất cơ học của các cấu trúc ........................................................................... 111 5.6. Tính chất điện tử .................................................................................................... 114 5.7. Kết luận ................................................................................................................... 123 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ........................................................................................... 124 TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................................. 126 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN ............................. 138 v DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT KH &CN: Khoa học và công nghệ KH: Khoa học CN: Công nghệ KHVL: Khoa học vật liệu TD: Thí dụ WZ: Wurtzite ZB: Zincblende 0D: 0 dimension 1D: 1 dimention 2D: 2 dimension 3D: 3 dimension HW: Half Wall SW: Single Wall 1.5W: 1.5 Wall DW: Double Wall 2.5W: 2.5 Wall TW: Triple Wall 3.5W: 3.5 Wall QW: Quadruple Wall CMS: Computational Materials Science MD: Molecular Dynamics DFT: Density Functional Theory TB: Tight-Binding DFTB: Density Functional based Tight-Binding SCF: Self- Sonsistent Field SCC-DFTB: Self Consistent Charge Density Functional based Tight-Binding TDDFTB: Time Dependent Density Functional based Tight-Binding VASP: The Vienna Ab initio Simulation Package SIESTA: Spanish Initiative for Electronic Simulations with Thousands of Atoms VESTA: Visualization System of Electronic and Structural Analysic XRD: X Ray Diffraction vi LDA: Local Density Approximation GEA: Geradient Expansion Approximation GGA: Gneralized Gradient Approximation PBE: Perdew-Burke-Ernzerhof PBESol: Perdew-Burke-Ernzerhof Solid HSE: Heyd-Scuseria-Ernzerhof STO: Slater Type Orbitals SK: Slater Koster HF: Hatree Fock BM: Bulk Modulus XC: Exchange Corelational DOS: Densities Of States PDOS: Projected Densities Of States MOF: Metal Organic Framework HOMO: Hightest Occupied Molecular Orbital LUMO: Lowest Unoccupied Molecular Orbital CBM: Conduction Band Minimum VBM: Valence Band Maximum TEM: Transmission Electron Microscopy SEM: Scanning Electron Microscope AFM: Atomic Force Microscope NEMS: Nano Electric Mechanical System MEMS Micro Electronic Mechanical System CMOS: Complementary Metal-Oxide-Semiconductor CVD: Chemical Vapour Deposition PVD: Physical Vapor Deposition MC: Micromechanical Cleavage RNA: Ribo Nucleic Acid DNA: Deoxyribo Nucleic Acid NP: Nano Particle NP-DNA : Nano Particle - DeoxyriboNucleic Acid UV: Ultra Violet IR: Infra Red ITO: Indium Tin Oxide vii FET: Field Effect Transistor TTET: Transparent Thin Film Transistors LED: Light Emitting Diode OLED: Organic LightEmiting Diode LCD: Liquid Crystal Display MR: Member Ring IZA: International Zeolite Association viii