Luận án Tiến sĩ Vật lý: Tính chất điện tử và các đặc trưng tiếp xúc trong cấu trúc xếp lớp van der Waals dựa trên MA2Z4 (M = kim loại chuyển tiếp; A = Si, Ge; Z = N, P)

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:134

Thêm vào BST

Báo xấu

2
lượt xem 1
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu chính của luận án "Tính chất điện tử và các đặc trưng tiếp xúc trong cấu trúc xếp lớp van der Waals dựa trên MA2Z4 (M = kim loại chuyển tiếp; A = Si, Ge; Z = N, P)" là nghiên cứu tính chất điện tử và sự hình thành tiếp xúc kim loại−bán dẫn và bán dẫn−bán dẫn trong dị cấu trúc vdW được thiết kế và xây dựng từ họ vật liệu MA2Z4 (M = kim loại chuyển tiếp; A = Si, Ge; Z = N, P): MoSH/MoSi2N4, GR/MoGeSiN4, BP/MoGe2N4, C3N4/MoSi2N4.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Vật lý: Tính chất điện tử và các đặc trưng tiếp xúc trong cấu trúc xếp lớp van der Waals dựa trên MA2Z4 (M = kim loại chuyển tiếp; A = Si, Ge; Z = N, P)

ĐẠI HỌC HUẾ TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM ——————— NGUYỄN QUANG CƯỜNG TÍNH CHẤT ĐIỆN TỬ VÀ CÁC ĐẶC TRƯNG TIẾP XÚC TRONG CẤU TRÚC XẾP LỚP VAN DER WAALS DỰA TRÊN MA2Z4 (M = KIM LOẠI CHUYỂN TIẾP; A = Si, Ge; Z = N, P) LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ THỪA THIÊN HUẾ, 2024
ĐẠI HỌC HUẾ TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM NGUYỄN QUANG CƯỜNG TÍNH CHẤT ĐIỆN TỬ VÀ CÁC ĐẶC TRƯNG TIẾP XÚC TRONG CẤU TRÚC XẾP LỚP VAN DER WAALS DỰA TRÊN MA2Z4 (M = KIM LOẠI CHUYỂN TIẾP; A = Si, Ge; Z = N, P) Ngành: Vật lý lý thuyết và vật lý toán Mã số: 9 44 01 03 LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ Người hướng dẫn khoa học PGS.TS. NGUYỄN VĂN CHƯƠNG PGS.TS. LÊ THỊ THU PHƯƠNG THỪA THIÊN HUẾ, 2024
LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan rằng luận án này là công trình nghiên cứu của riêng tôi được thực hiện dựa trên sự hướng dẫn của PGS.TS. Nguyễn Văn Chương và PGS.TS. Lê Thị Thu Phương. Các kết quả trong luận án chưa được công bố trong công trình nghiên cứu nào khác. Tôi đã nhận được sự cho phép của các đồng tác giả để sử dụng các kết quả này cho luận án tiến sĩ của mình. Thừa Thiên Huế, tháng 12 năm 2024 Tác giả Nguyễn Quang Cường i
LỜI CẢM ƠN Tôi chân thành gửi lời cảm ơn đến Thầy Cô, gia đình và đồng nghiệp đã giúp đỡ và hỗ trợ tôi trong quá trình học tập và hoàn thành luận án. Tôi xin biết ơn và gửi lời cảm ơn chân thành đến PGS.TS. Nguyễn Văn Chương và PGS.TS. Lê Thị Thu Phương. PGS.TS. Nguyễn Văn Chương đã giúp đỡ và động viên tôi rất nhiều trong quá trình học tập và hoàn thành được công trình nghiên cứu này. Bên cạnh đó, Thầy đã dạy cho tôi nhiều bài học quý giá, giúp tôi có được sự say mê, nghiêm túc trong công việc. Hơn nữa, Thầy còn chỉ bảo tôi ở nhiều khía cạnh khác của cuộc sống, từ đó bản thân tôi ngày càng trưởng thành hơn. Tôi xin cảm ơn PGS.TS. Lê Thị Thu Phương đã chỉ dạy những kiến thức chuyên môn và có những góp ý xác đáng để luận án ngày càng hoàn thiện hơn. Tôi còn học được từ Cô không chỉ kiến thức chuyên môn mà còn các kỹ năng khác trong công việc nghiên cứu. Tôi xin trân trọng cảm ơn PGS.TS. Nguyễn Ngọc Hiếu. Thầy đã chỉ bảo tôi từ những ngày đầu tiên khi bước vào con đường nghiên cứu và trong suốt quá trình học nghiên cứu sinh. Ngoài công việc chuyên môn, Thầy còn giúp đỡ và động viên tôi trong những vấn đề khác của cuộc sống. Tôi xin chân thành cảm ơn các đồng tác giả trong các công trình khoa học đã giúp đỡ, hỗ trợ tôi tận tình trong suốt quá trình thực hiện luận án và cho phép tôi sử dụng các công trình này cho luận án Tiến sĩ này. Tôi xin cảm ơn đến các quý Thầy Cô khoa Vật Lý và trung tâm Vật lý lý thuyết và Vật lý tính toán tại trường Đại học Sư phạm, Đại học Huế, đã tận tình hướng dẫn và tạo điều kiện thuận lợi để tôi có thể hoàn thành chương trình học tập và đảm bảo kế hoạch nghiên cứu. Tôi cũng xin gửi lời ii
cảm ơn đến các thầy cô thuộc phòng Đào tạo Sau Đại học, Trường Đại học Sư phạm, Đại học Huế đã hướng dẫn và hỗ trợ tôi trong quá trình học tập. Tiếp theo, tôi trân trọng gửi lời cảm ơn đến Ban Giám đốc, Đại học Duy Tân đã giúp đỡ và tạo điều kiện cho tôi trong quá trình công tác tại đây để tôi có thể đồng thời làm việc và hoàn thành tốt chương trình học tập của mình. Bên cạnh đó, tôi xin chân thành cảm ơn đến TS. Võ Thị Tuyết Vi và NCS Lê Thị Hoá đã đóng góp ý kiến và giúp đỡ tôi trong quá trình học tập và hoàn thành luận án. Cuối cùng, để có mặt ở đây hôm nay, tôi xin dành lời cảm ơn từ tận đáy lòng đến gia đình và bạn bè. Cảm ơn ba mẹ, vợ, em gái và bạn bè đã luôn yêu thương, hỗ trợ và động viên để tôi có thể tập trung học tập và hoàn thành tốt chương trình nghiên cứu sinh. Tác giả Nguyễn Quang Cường iii
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT Từ viết tắt Từ tiếng Anh Từ tiếng Việt PBE Perdew−Burke−Ernzerhof Perdew−Burke−Ernzerhof 2D Two−Dimensional 2 chiều DFT Density Functional Theory Lý thuyết phiếm hàm mật độ HSE06 Heyd−Scuseria−Ernzerhof Heyd−Scuseria−Ernzerhof CVD Chemical Vapor Deposition Lắng đọng hơi hoá học CBM Conduction Band Minimum Cực tiểu vùng dẫn DFPT Density Functional Perturbation Lý thuyết nhiễu loạn phiếm hàm Theory mật độ vdW van der Waals van der Waals GGA Generalized Gradient Approximation Phép gần đúng gradient suy rộng LDA Local Density Approximation Phép gần đúng mật độ định xứ OhC Ohmic Contact Tiếp xúc Ohmic ShC Schottky Contact Tiếp xúc Schottky VASP Vienna Simulation Package Vienna Simulation Package VBM Valence Band Maximum Cực đại vùng hóa trị iv
DANH MỤC KÍ HIỆU Kí hiệu Đại lượng a Hằng số mạng Cij Hệ số đàn hồi d Khoảng cách giữa các lớp ∆d Độ lớn bước biến dạng E Cường độ điện trường Eb Năng lượng liên kết Ecohesive Năng lượng cố kết Eg Độ rộng vùng cấm EF Mức năng lượng Fermi Evac Mức năng lượng chân không m∗ Khối lượng hiệu dụng Y2D Mô-đun Young ΦBn Chiều cao rào thế Schottky loại n ΦBp Chiều cao rào thế Schottky loại p ∆ρ Sự thay đổi mật độ điện tích ∆V Mức chênh lệch thế tĩnh điện α(ω) Hệ số hấp thụ quang học v
DANH SÁCH CÁC BẢNG 2.1 Hằng số mạng a (˚ khoảng cách giữa các lớp d (˚ và năng A), A), lượng liên kết Eb (eV) của các cấu trúc dị thể. . . . . . . . . 39 2.2 Các hệ số đàn hồi Cij , mô-đun Young Y2D của các cấu trúc dị thể vdW. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 2.3 Mức chân không (Echânloại ) của lớp kim loại, mức chân kim không không (Echândẫn ) của lớp bán dẫn, mức Fermi (EF ), công bán không thoát điện tử (Φkim loại ) của lớp kim loại, công thoát điện tử (Φbán dẫn ) và mức chênh lệch thế tĩnh điện (∆V ) của lớp bán dẫn của các cấu trúc dị thể vdW. Đơn vị được tính bằng eV. 58 3.1 Khoảng cách giữa các lớp (d), năng lượng liên kết (Eb ), độ PBE HSE06 rộng vùng cấm theo PBE (Eg ), HSE06 (Eg ), loại tiếp xúc chuyển tiếp dị thể (loại) của các cấu hình xếp chồng của cấu trúc dị thể BP/MoGe2 N4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66 3.2 Hằng số mạng (a), Độ rộng vùng cấm theo phương pháp PBE PBE HSE06 (Eg ), HSE06 (Eg ). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73 vi
DANH SÁCH HÌNH VẼ 2.1 Cấu trúc hình học của đơn lớp bán dẫn (a) MoSi2 N4 (b) MoGeSiN4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 2.2 Cấu trúc hình học của đơn lớp kim loại (a) MoSH và (b) graphene. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 2.3 Cấu trúc tinh thể của (a) MoSH/MoSi2 N4 và (b) MoHS/MoSi2 N4 . 38 2.4 Cấu trúc tinh thể của (a) GR/MoGeSiN4 và (b) GR/MoSiGeN4 . 39 2.5 Phổ phonon của các đơn lớp MoSi2 N4 , Janus MoSiGeN4 và Janus MoSH. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 2.6 Phổ phonon của dị cấu trúc MoSH/MoSi2 N4 và MoHS/MoSi2 N4 . 41 2.7 Mô-đun Young phụ thuộc góc của các cấu trúc dị thể vdW. 45 2.8 Cấu trúc vùng năng lượng của (a) MoSH, (b) MoSi2 N4 , (c) MoSH/MoSi2 N4 , (d) MoHS/MoSi2 N4 . . . . . . . . . . . . . . 47 2.9 Cấu trúc vùng năng lượng của (a) graphene, (b) MoGeSiN4 , (c) GR/MoGeSiN4 , (d) GR/MoSiGeN4 . . . . . . . . . . . . . 49 2.10 Sơ đồ tiếp xúc kim loại−bán dẫn trong dị cấu trúc (a) MoSH/MoSi2 N4 và MoHS/MoSi2 N4 (b) GR/MoGeSiN4 và GR/MoSiGeN4 . . 52 2.11 Mật độ điện tích trung bình của cấu trúc (a) MoSH/MoSi2 N4 , (b) MoHS/MoSi2 N4 , (c) GR/MoGeSiN4 , (d) GR/MoSiGeN4 . 55 2.12 Thế tĩnh điện của các dị cấu trúc (a) MoSH/MoSi2 N4 , (b) MoHS/MoSi2 N4 , (c) GR/MoGeSiN4 , (d) GR/MoSiGeN4 . . . 57 3.1 Cấu trúc hình học của các đơn lớp (a) MoSi2 N4 , (b) MoGe2 N4 (c) C3 N4 (d) BP. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63 vii
3.2 Phổ phonon của các đơn lớp (a) BP, (b) MoGe2 N4 , (c) C3 N4 , (d) MoSi2 N4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64 3.3 Cấu trúc hình học các cấu hình xếp chồng của cấu trúc dị thể BP/MoGe2 N4 (a) cấu hình I, (b) cấu hình II, (c) cấu hình III, (d) cấu hình IV, (e) cấu hình V, (f) cấu hình VI. . . . . 65 3.4 Cấu trúc hình học các cấu hình xếp chồng của cấu trúc dị thể C3 N4 /MoSi2 N4 (a) cấu hình I, (b) cấu hình II, (c) cấu hình III, (d) cấu hình IV. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68 3.5 Vị trí các dải biên trong cấu trúc dị thể chuyển tiếp (a) loại I, (b) loại II và (c) loại III. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70 3.6 Cấu trúc vùng năng lượng theo PBE và HSE06 của đơn lớp (a) BP, (b) MoGe2 N4 và cấu trúc dị thể (c−d) BP/MoGe2 N4 . (e) Sự đóng góp của đơn lớp BP và MoGe2 N4 trong cấu trúc dị thể BP/MoGe2 N4 theo phương pháp PBE. Màu cam và màu xanh lá lần lượt tượng trưng cho đơn lớp BP và MoGe2 N4 . 72 3.7 Sơ đồ tiếp xúc bán dẫn−bán dẫn trong cấu trúc dị thể (a) BP/MoGe2 N4 , (b) C3 N4 /MoSi2 N4 . . . . . . . . . . . . . . . 74 3.8 Phổ hấp thụ của cấu trúc dị thể BP/MoGe2 N4 và các đơn lớp BP và MoGe2 N4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75 3.9 Cấu trúc vùng năng lượng theo PBE và HSE06 của đơn lớp (a) C3 N4 , (b) MoSi2 N4 và cấu trúc dị thể (c−d) C3 N4 /MoSi2 N4 . (e) Sự đóng góp của đơn lớp C3 N4 và MoSi2 N4 trong cấu trúc C3 N4 /MoSi2 N4 theo phương pháp PBE. Màu tím và màu xanh lá lần lượt tượng trưng cho đơn lớp C3 N4 và MoSi2 N4 . 76 3.10 Thế tĩnh điện của cấu trúc dị thể (a) BP/MoGe2 N4 , (c) C3 N4 /MoSi2 N4 và sự thay đổi mật độ điện tích (b) BP/MoGe2 N4 ,(d) C3 N4 /MoSi2 N4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78 viii
4.1 Cấu trúc vùng năng lượng của MoSH/MoSi2 N4 khi đặt trong (a) điện trường dương và (b) điện trường âm. Đường màu xanh và màu đỏ lần lượt biểu thị sự đóng góp của MoSi2 N4 và MoSH. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86 4.2 Sự thay đổi rào thế tiếp xúc trong cấu trúc dị thể MoSH/MoSi2 N4 dưới các độ lớn điện trường. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87 4.3 Cấu trúc vùng năng lượng của MoHS/MoSi2 N4 khi đặt trong (a) điện trường dương và (b) điện trường âm. Đường màu xanh và màu đỏ lần lượt biểu thị sự đóng góp của MoSi2 N4 và MoHS. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88 4.4 (a) Cấu trúc vùng năng lượng của GR/MoGeSiN4 khi đặt trong của điện trường. Đường màu xanh và màu đỏ lần lượt biểu thị sự đóng góp của lớp MoGeSiN4 và GR. (b) Sự thay đổi của rào thế tiếp xúc trong cấu trúc dị thể GR/MoGeSiN4 dưới các độ lớn điện trường khác nhau. . . . . . . . . . . . . 90 4.5 (a) Cấu trúc vùng năng lượng của GR/MoSiGeN4 khi đặt trong điện trường. Đường màu xanh và màu đỏ lần lượt biểu thị sự đóng góp của lớp MoSiGeN4 và GR. (b) Sự thay đổi của rào thế tiếp xúc trong cấu trúc dị thể GR/MoSiGeN4 dưới các độ lớn điện trường khác nhau. . . . . . . . . . . . . 92 4.6 Cấu trúc vùng năng lượng của BP/MoGe2 N4 khi đặt trong (a) điện trường âm, (b) điện trường dương. Đường màu xanh và màu đỏ lần lượt biểu thị sự đóng góp của lớp MoGe2 N4 và BP. (c) Sự thay đổi của độ rộng vùng cấm trong BP/MoGe2 N4 dưới các độ lớn điện trường khác nhau. . . . . . . . . . . . . 93 ix
4.7 Cấu trúc vùng năng lượng của C3 N4 /MoSi2 N4 khi đặt trong (a) điện trường âm, (b) điện trường dương. Đường màu đỏ và màu đen lần lượt thể hiện sự đóng góp của lớp C3 N4 và MoSi2 N4 . (c) Sự thay đổi của độ rộng vùng cấm trong cấu trúc C3 N4 /MoSi2 N4 dưới các độ lớn điện trường khác nhau. 96 4.8 Cấu trúc vùng năng lượng của MoSH/MoSi2 N4 khi áp dụng biến dạng (a) nén, (b) kéo. Đường màu xanh và màu đỏ lần lượt biểu thị sự đóng góp của lớp MoSi2 N4 và MoSH. (c) Sự thay đổi của rào thế tiếp xúc trong cấu trúc MoSH/MoSi2 N4 dưới các bước biến dạng. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99 4.9 Cấu trúc vùng năng lượng của MoHS/MoSi2 N4 khi áp dụng biến dạng (a) nén, (b) kéo. Đường màu xanh và màu đỏ lần lượt biểu thị sự đóng góp của lớp MoSi2 N4 và MoHS. . . . . 100 4.10 Cấu trúc vùng năng lượng của (a) GR/MoGeSiN4 , (b) GR/MoSiGeN4 tại các bước biến dạng. Đường màu xanh và màu đỏ lần lượt biểu thị sự đóng góp của lớp MoGeSiN4 và GR. Cấu trúc vùng năng lượng và sự biến đổi chiều cao rào thế của (c) GR/MoGeSiN4 , (d) GR/MoSiGeN4 tại các bước biến dạng. . 102 4.11 Cấu trúc vùng năng lượng của BP/MoGe2 N4 khi áp dụng biến dạng (a) nén, (b) kéo. Đường màu xanh và màu đỏ lần lượt biểu thị sự đóng góp của lớp MoGe2 N4 và BP. (c) Sự biến đổi của năng lượng vùng cấm và chuyển tiếp dị thể của BP/MoGe2 N4 tại các bước biến dạng. . . . . . . . . . . . . . 103 4.12 Cấu trúc vùng năng lượng của C3 N4 /MoSi2 N4 khi áp dụng biến dạng (a) nén, (b) kéo. Đường màu đỏ và màu đen lần lượt thể hiện sự đóng góp của lớp C3 N4 và MoSi2 N4 . (c) Sự biến đổi của năng lượng vùng cấm và chuyển tiếp dị thể của C3 N4 /MoSi2 N4 tại các bước biến dạng. . . . . . . . . . . . . 105 x
MỤC LỤC Lời cam đoan . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . i Lời cảm ơn . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ii Danh mục các từ viết tắt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . iv Danh mục một số kí hiệu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . v Danh sách các bảng . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . vi Danh sách hình vẽ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . vii PHẦN MỞ ĐẦU . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 PHẦN NỘI DUNG . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 Chương 1 TỔNG QUAN VỀ CÁC DỊ CẤU TRÚC VAN DER WAALS CỦA CÁC VẬT LIỆU HAI CHIỀU VÀ PHƯƠNG PHÁP LÝ THUYẾT PHIẾM HÀM MẬT ĐỘ . . . . . . . . . 11 1.1. Vật liệu hai chiều họ MA2 Z4 (M = kim loại chuyển tiếp; A = Si, Ge; Z = N, P) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 1.2. Dị cấu trúc van der Waals của các vật liệu hai chiều . . . . . 15 1.3. Phương pháp lý thuyết phiếm hàm mật độ . . . . . . . . . . 17 1.3.1. Toán tử năng lượng Hamilton . . . . . . . . . . . . . 18 1.3.2. Mật độ điện tử trong DFT . . . . . . . . . . . . . . . 19 1.3.3. Các định lý Hohenberg−Kohn . . . . . . . . . . . . 20 1.3.4. Phương trình Kohn−Sham . . . . . . . . . . . . . . . 22 1.3.5. Hàm tương quan−trao đổi . . . . . . . . . . . . . . . 25 1.4. Giải phương trình Kohn−Sham . . . . . . . . . . . . . . . . 28 1.5. Kết luận chương 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 Chương 2 CÁC TÍNH CHẤT ĐIỆN TỬ VÀ SỰ HÌNH THÀNH TIẾP XÚC TRONG CẤU TRÚC DỊ THỂ VAN DER WAALS GIỮA HỌ MA2 Z4 VÀ KIM LOẠI HAI CHIỀU . . . . . . . . . 30 1
2.1. Giới thiệu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 2.2. Phương pháp nghiên cứu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 2.3. Cấu trúc tinh thể . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 2.4. Sự ổn định cấu trúc và hệ số đàn hồi . . . . . . . . . . . . . 40 2.4.1. Phổ dao động phonon và năng lượng liên kết . . . . . 40 2.4.2. Hệ số đàn hồi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 2.5. Tính chất điện tử . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45 2.5.1. Cấu trúc vùng năng lượng . . . . . . . . . . . . . . . 46 2.5.2. Sự hình thành rào thế trong các cấu trúc dị thể van der Waals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51 2.6. Sự phân bố và trao đổi điện tích . . . . . . . . . . . . . . . . 54 2.7. Thế tĩnh điện và công thoát điện tử . . . . . . . . . . . . . . 57 2.8. Kết luận chương 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59 Chương 3 TÍNH CHẤT ĐIỆN TỬ VÀ SỰ HÌNH THÀNH TIẾP XÚC TRONG CẤU TRÚC DỊ THỂ VAN DER WAALS GIỮA HỌ MA2 Z4 VÀ VẬT LIỆU BÁN DẪN . . . . . . . . . . . . . 60 3.1. Đặt vấn đề . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60 3.2. Cấu trúc tinh thể . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62 3.3. Tính chất điện tử . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69 3.3.1. Cấu trúc vùng năng lượng và sự hình thành chuyển tiếp dị thể . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69 3.3.2. Mật độ điện tích và thế tĩnh điện . . . . . . . . . . . 79 3.4. Kết luận chương 3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80 Chương 4 ẢNH HƯỞNG CỦA ĐIỆN TRƯỜNG NGOÀI VÀ BIẾN DẠNG ĐẾN SỰ THAY ĐỔI TÍNH CHẤT ĐIỆN TỬ VÀ HIỆU ỨNG TIẾP XÚC TRONG CÁC CẤU TRÚC DỊ THỂ VAN DER WAALS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82 2
4.1. Phương pháp biến dạng và áp dụng điện trường ngoài . . . . 82 4.2. Sự thay đổi tính chất điện tử của các cấu trúc dị thể van der Waals dựa trên họ vật liệu MA2 Z4 dưới ảnh hưởng của điện trường ngoài . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85 4.2.1. Ảnh hưởng của điện trường ngoài lên sự hình thành tiếp xúc kim loại−bán dẫn . . . . . . . . . . . . . . . 85 4.2.2. Ảnh hưởng của điện trường ngoài lên sự hình thành tiếp xúc bán dẫn−bán dẫn . . . . . . . . . . . . . . . 92 4.3. Sự thay đổi tính chất điện tử của các cấu trúc dị thể van der Waals dựa trên họ vật liệu MA2 Z4 dưới ảnh hưởng của biến dạng . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98 4.3.1. Ảnh hưởng của biến dạng lên sự hình thành tiếp xúc kim loại−bán dẫn . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98 4.3.2. Ảnh hưởng của biến dạng lên sự hình thành tiếp xúc bán dẫn−bán dẫn . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101 4.4. Kết luận chương 4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106 KẾT LUẬN CHUNG . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108 Tài liệu tham khảo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110 Danh mục các công bố liên quan đến luận án . . . . . . . . 122 3
PHẦN MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Cùng với sự phát triển của xã hội, các thiết bị điện tử ngày càng được cải thiện về hiệu suất hoạt động. Các vật liệu phải được cải thiện và đổi mới để có thể đáp ứng được yêu cầu cải tiến của thiết bị điện tử. Để có thể vừa đáp ứng yêu cầu về kích thước lẫn tính năng thì các vật liệu phải được thu nhỏ và cải thiện tính chất vật lý. Nhờ vào ưu điểm về kích thước, các vật liệu bán dẫn hai chiều đã được chú ý đến, nhiều nhà khoa học trong và ngoài nước bắt đầu quan tâm nghiên cứu về loại vật liệu này. Chất bán dẫn có khả năng dẫn điện nhưng lại không hoàn toàn như kim loại. Chúng lại có thể trở thành chất cách điện khi đặt trong điều kiện nhất định. Vì vậy, vật liệu bán dẫn có thể được ứng dụng để tạo ra các thiết bị điện tử hoạt động theo mong muốn của chúng ta. Công nghệ bán dẫn hiện nay được xem là vấn đề trọng tâm trong nền kinh tế của nhiều nước, mở đường cho sự phát triển đột phá của khoa học công nghệ trong tương lai. Bán dẫn hai chiều thể hiện được sự vượt trội của mình trong chế tạo thiết bị điện tử khi sở hữu nhiều tính chất ưu việt như sở hữu kích thước siêu nhỏ. Điều này vô cùng quan trọng vì đã cải thiện được đáng kể số lượng linh kiện điện tử chứa trong thiết bị điện tử mà không làm tăng kích thước. Ngoài ra, nhờ tính tương thích cao giúp tăng hiệu suất cũng như tốc độ của các thiết bị. Hơn hết, bán dẫn hai chiều tiêu thụ năng lượng ít hơn so với các vật liệu khối, giúp thiết bị hoạt động hiệu quả hơn. 4
Từ khi được tổng hợp thành công vào năm 2020, họ vật liệu MA2 Z4 (M = kim loại chuyển tiếp; A = Si, Ge; Z = N, P) đã được cộng đồng nghiên cứu khoa học đặc biệt chú ý [1]. Nhiều công trình nghiên cứu dự đoán về mặt lý thuyết và thực nghiệm đã chứng minh đây là vật liệu của tương lai khi sở hữu nhiều tính chất vật lý nổi trội, phù hợp với các linh kiện, thiết bị điện tử có kích thước nano [2]. Hơn nữa, đặc tính của các bán dẫn 2D trong họ vật liệu này có thể được tùy chỉnh linh hoạt thông qua nhiều kỹ thuật khác nhau như biến dạng hay điện trường [3]. Hiện nay, phương pháp thiết kế và xây dựng các dị cấu trúc van der Waals (vdW) bằng cách kết hợp các vật liệu đơn lớp với nhau được xem là phương pháp hiệu quả giúp tùy chỉnh tính chất vật lý của các đơn lớp. Bên cạnh đó, chúng ta còn có thể bảo tồn được các tính chất đặc trưng nổi trội của vật liệu, nâng cao khả năng ứng dụng thực tiễn [4]. Qua đó có thể thấy dị cấu trúc vdW đang là một đối tượng nghiên cứu mới và cực kỳ tiềm năng. Trong vật liệu dị thể vdW hai chiều, hiệu ứng tiếp xúc giữa các lớp có vai trò quan trọng để xác định tính chất điện tử của vật liệu. Hiệu ứng này liên quan đến vấn đề thiết kế điểm nối giữa các linh kiện trong các thiết bị. Do đó, việc có thể hiểu rõ một cách tường tận hiệu ứng này có thể mở ra các hướng ứng dụng khác nhau cho vật liệu dị thể. Hiện nay, hiểu biết về tính chất điện tử cũng như hiệu ứng tiếp xúc trong các cấu trúc dị thể có sự tham gia của các đơn lớp bán dẫn như MoSi2 N4 hay MoGe2 N4 còn nhiều hạn chế. Vì vậy lý do đó, tôi đã chọn đề tài "Tính chất điện tử và các đặc trưng tiếp xúc trong cấu trúc xếp lớp van der Waals dựa trên MA2 Z4 (M = kim loại chuyển tiếp; A = Si, Ge; Z = N, P) " để thực hiện luận án tiến sĩ của mình với chuyên ngành Vật lý lý thuyết và vật lý toán. 5
2. Mục tiêu nghiên cứu của luận án 2.1. Mục tiêu tổng quát Mục tiêu chính của luận án là nghiên cứu tính chất điện tử và sự hình thành tiếp xúc kim loại−bán dẫn và bán dẫn−bán dẫn trong dị cấu trúc vdW được thiết kế và xây dựng từ họ vật liệu MA2 Z4 (M = kim loại chuyển tiếp; A = Si, Ge; Z = N, P): MoSH/MoSi2 N4 , GR/MoGeSiN4 , BP/MoGe2 N4 , C3 N4 /MoSi2 N4 . 2.2. Mục tiêu cụ thể • Nghiên cứu tính chất điện tử và đặc trưng tiếp xúc trong cấu trúc dị thể kim loại−bán dẫn: MoSH/MoSi2 N4 , GR/MoGeSiN4 . • Nghiên cứu tính chất điện tử và đặc trưng tiếp xúc trong cấu trúc dị thể bán dẫn−bán dẫn: BP/MoGe2 N4 , C3 N4 /MoSi2 N4 . • Khảo sát sự ảnh hưởng của điện trường ngoài đến tính chất điện tử và đặc trưng tiếp xúc trong các cấu trúc dị thể MoSH/MoSi2 N4 , GR/MoGeSiN4 , BP/MoGe2 N4 , C3 N4 /MoSi2 N4 . • Khảo sát sự ảnh hưởng của kỹ thuật biến dạng cấu trúc đến tính chất điện tử và đặc trưng tiếp xúc trong các cấu trúc dị thể MoSH/MoSi2 N4 , GR/MoGeSiN4 , BP/MoGe2 N4 , C3 N4 /MoSi2 N4 . 3. Đối tượng và nội dung nghiên cứu của luận án Đối tượng nghiên cứu trong luận án này là các dị cấu trúc vdW giữa họ vật liệu MA2 Z4 (M = kim loại chuyển tiếp; A = Si, Ge; Z = N, P) với các đơn lớp kim loại và bán dẫn khác, cụ thể là MoSH/MoSi2 N4 , GR/MoGeSiN4 , BP/MoGe2 N4 , C3 N4 /MoSi2 N4 . 6
Luận án chủ yếu tập trung nghiên cứu tính chất điện tử và sự hình thành tiếp xúc giữa các đơn lớp trong các vật liệu cấu trúc dị thể được kể trên, bao gồm các vấn đề chính sau đây: • Xây dựng cấu trúc tinh thể của các dị cấu trúc van der Waals kim loại−bán dẫn (MoSH/MoSi2 N4 , GR/MoGeSiN4 ) và bán dẫn−bán dẫn (BP/MoGe2 N4 , C3 N4 /MoSi2 N4 ). • Khảo sát độ ổn định trong thực tiễn của các cấu dị trúc vdW được xây dựng thông qua tính toán phổ phonon và năng lượng liên kết. Bên cạnh đó, độ bền cơ học của các cấu trúc dị thể cũng được tính toán thông qua tính toán mô-đun Young. • Tính toán cấu trúc vùng năng lượng và khảo sát sự dịch chuyển điện tích giữa các đơn lớp trong các dị cấu trúc. • Khảo sát sự hình thành rào thế tiếp xúc trong các dị cấu trúc kim loại−bán dẫn và loại chuyển tiếp dị thể trong các dị cấu trúc bán dẫn−bán dẫn. • Nghiên cứu và đánh giá ảnh hưởng của các yếu tố bên ngoài biến dạng cơ học và điện trường lên tính chất điện tử và sự chuyển đổi loại tiếp xúc được hình thành trong các dị cấu trúc. 4. Phương pháp nghiên cứu của luận án Các tính toán trong luận án được thực hiện dựa trên phương pháp lý thuyết phiếm hàm mật độ (DFT) thông qua phần mềm mô phỏng Vienna simulation package (VASP) [5] và Quantum Espresso [6]. Phương pháp DFT được sử dụng rộng rãi trong nghiên cứu, dự đoán tính chất của vật liệu và đã cho thấy được tính chính xác và hiệu quả cao. Năng lượng tương quan−trao đổi được mô tả bằng phương pháp gần đúng gradient suy rộng với hàm giả thế Perdew−Burke−Ernzerhof (PBE) 7
[7] và hàm lai Heyd−Scuseria−Ernzerhof (HSE06) [8]. Tương tác vdW giữa các đơn lớp trong dị cấu trúc được mô phỏng thông qua phương pháp DFT−D3 [9] được hiệu chỉnh, giúp mô tả các tương tác trong hệ một cách chính xác hơn. Khi khảo sát tính chất dao động của các vật liệu, chúng tôi tính toán phổ phonon thông qua phương pháp lý thuyết nhiễu loạn phiếm hàm mật độ (DFPT) [10] được tích hợp vào trong phần mềm mô phỏng VASP. Các chi tiết tính toán sẽ được thể hiện rõ hơn trong phần phương pháp đối với từng loại vật liệu trong phần nội dung. 5. Những đóng góp mới của luận án • Đã cung cấp thông tin về cấu trúc tinh thể, đặc tính điện tử của các dị cấu trúc được xây dựng từ họ vật liệu MA2 Z4 (M = kim loại chuyển tiếp; A = Si, Ge; Z = N, P). Kết quả nghiên cứu thu được chứng tỏ các cấu trúc này bền vững, ổn định về mặt năng lượng và động học. • Đã khảo sát ảnh hưởng của góc xếp chồng đến tính chất điện tử của dị cấu trúc. Rào thế tiếp xúc được hình thành trong các dị cấu trúc kim loại−bán dẫn có thể được tùy chỉnh thông qua thay đổi kiểu xếp chồng giữa các đơn lớp. • Đã đề ra một phương án giúp mở một vùng cấm nhỏ trong graphene. Sự xếp chồng giữa graphene và Janus MoGeSiN4 đã tạo ra một vùng cấm nhỏ trong graphene gây ra bởi sự phá vỡ đối xứng mạng tinh thể. • Đã có phát hiện mới về cấu trúc dị thể MoSH/MoSi2 N4 có hình thành rào thế Schottky với chiều cao rào thế nhỏ, rất phù hợp cho các linh kiện điện tử có điện thế tiếp xúc nhỏ. • Đã xác định được quy luật biến đổi đặc tính tiếp xúc trong các dị cấu trúc được xây dựng dưới điện trường ngoài và biến dạng. Thông qua 8