BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC
VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM
HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ
……..….***…………
NGUYỄN THỊ THUỲ NHUNG
CÁC TÍNH CHẤT TRUYỀN DẪN ĐIỆN
CỦA MỘT SỐ CẤU TRÚC NANO GRAPHENE
Chuyên ngành: Vật lý lý thuyết và vật lý toán
Mã số: 9 44 01 03
TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ
Hà Nội – 2020
Công trình được hoàn thành tại: Học viện Khoa học và Công nghệ -
Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam
Người hướng dẫn khoa học: GS. TSKH. NGUYỄN VĂN LIỄN
Phản biện 1: …
Phản biện 2: …
Phản biện 3: ….
Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án tiến sĩ, họp tại Học viện
Khoa học và Công nghệ - Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam vào
hồi … giờ …’, ngày … tháng … năm 2020
Có thể tìm hiểu luận án tại:
- Thư viện Học viện Khoa học và Công nghệ
- Thư viện Quốc gia Việt Nam
Mở đầu
Carbon là nguyên tố phổ biến trong tự nhiên, có nhiều trong lớp vỏ trái đất
và là nguyên tố cơ bản cấu thành các vật thể sống. Các cấu hình vật liệu 3
chiều của carbon được biết đến từ lâu là kim cương và graphite. Vào năm
1985, cấu hình 0chiều của carbon là fullerene được Kroto, Smalley và Curl
tìm ra. Radushkevich và Lukyanovich vào năm 1952 đã báo cáo về các ống
carbon rỗng, còn gọi là ống nano carbon. Năm 1991 Lijima và cộng sự đã chế
tạo thành công ống nano carbon.
Wallace là người đầu tiên nghiên cứu lý thuyết về các lớp đơn nguyên tử
carbon của graphite vào năm 1947. Thuật ngữ “graphene” lần đầu tiên được
Boehm, Setton và Stumpp đề xuất vào năm 1994 để chỉ đơn lớp các nguyên
tử carbon, trong đó các nguyên tử carbon được sắp xếp tại nút của một mạng
lục giác. Phải tới năm 2004, Geim, Novoselov và các cộng sự đã tách thành
công graphene từ graphite.
Ngay sau khi được chế tạo thành công trong phòng thí nghiệm, graphene đã
trở thành chủ đề nóng của nghiên cứu. Các nhà nghiên cứu kỳ vọng graphene,
với các tính chất dẫn điện vượt trội, tính truyền nhiệt tốt, sẽ mang tới những
ứng dụng quan trọng và độc đáo. Đối với công nghệ điện tử, graphene là vật
liệu lý tưởng để truyền dẫn đạn đạo có thể thực hiện được. Graphene rất có
ưu thế trong việc chế tạo các chuyển tiếp p-n-p, vốn là các thành phần cơ bản
của các thiết bị lưỡng cực (bipolar). Gần đây, các nhà khoa học ở Học viện
Công nghệ Massachusetts (MIT) đã tạo ra các qubit trên các mạch điện siêu
dẫn sử dụng graphene. Bắt nguồn từ những thực tế trên, chúng tôi chọn đề
tài nghiên cứu là “Các tính chất truyền dẫn điện của một số cấu trúc nano
graphene”.
Mục đích của luận án này là nghiên cứu lý thuyết các đặc trưng dẫn điện
của các cấu trúc nano dựa trên graphene. Chúng tôi tập trung vào hai đối
tượng nghiên cứu-hai loại cấu trúc nano được làm từ graphene: chuyển tiếp
lưỡng cực graphene (GBJ) và chấm lượng tử graphene (GQD).
GBJs có thể được tạo ra bởi các điện cực tiếp xúc với bề mặt graphene
trong một cấu hình cho phép điều khiển truyền dẫn theo một chiều. Đặc trưng
truyền dẫn điện của các chuyển tiếp lưỡng cực (BJ) phụ thuộc chủ yếu vào
dạng thế tại các miền chuyển tiếp. Các nghiên cứu lý thuyết trước đây thường
giả thiết rằng thế này có dạng chữ nhật hay thế hình thang. Trong luận án
này, chúng tôi đề xuất sử dụng mô hình rào thế dạng Gauss để nghiên cứu các
tính chất truyền dẫn của GBJs. Ưu điểm của thế chuyển tiếp dạng Gauss: mô
tả đúng hơn dạng thế trong các cấu trúc BJ thực. Thế này cho phép mô tả
tất cả các chế độ của mật độ hạt tải cũng như sự chuyển tiếp trơn tru giữa các
1
chế độ. Nghiên cứu của chúng tôi tập trung vào việc tính toán các đặc trưng
truyền dẫn điện như xác suất truyền qua, điện trở, đặc trưng Volt-Ampere
và shot noise phụ thuộc vào các tham số của mô hình nhằm tìm hiểu rõ hơn
về cơ chế truyền dẫn đạn đạo qua GBJs.
Tương tự như các chuyển tiếp p-n, GQD có thể tạo ra bởi các điện cực có
kích thước nano. Sử dụng kính hiển vi quét chui ngầm (STM), người ta có thể
tạo ra các vùng giam cầm electron với kích thước nano trên tấm graphene.
Trong GQD được tạo bởi thế tĩnh điện, ngoại trừ một số điều kiện nhất định
cho phép tồn tại trạng thái liên kết, thông thường hạt tải điện chỉ tồn tại ở
các trạng thái giả liên kết với thời gian sống hữu hạn. Việc xác định thời gian
sống của các hạt tải trong GQD là tối quan trọng để có thể thiết kế các thiết
bị điện tử dựa trên GQD có khả năng vận hành đúng mong muốn. Do vậy,
trong luận án này, chúng tôi xây dựng mô hình lý thuyết để nghiên cứu thời
gian sống và mật độ trạng thái địa phương của hạt tải điện trong GQD hình
tròn (CGQDs) được tạo bởi các thế tĩnh điện. Kết quả nhận được được so
sánh với thực nghiệm.
Phương pháp tính toán chủ yếu được chúng tôi sử dụng là phương pháp
T-ma trận. Khi đã tính được T-ma trận, ta có thể tính tiếp các đặc trưng
electronic khác của hệ, như xác suất truyền qua, độ dẫn điện, dòng và shot
noise. Ta cũng có thể xác định được năng lượng cũng như độ rộng mức của
các trạng thái giả liên kết của các electron trong GQD. Mật độ trạng thái địa
phương và các hệ số tán xạ được biểu diễn chính xác qua các yếu tố của T-ma
trận. Ngoài phương pháp T-ma trận, chúng tôi còn đề xuất một phương pháp
mới để tính mật độ trạng thái địa phương (LDOS) từ các hàm sóng chuẩn
hóa cho CGQD với dạng thế bất kỳ.
Luận án được chia làm 4 chương, không kể các phần mở đầu, kết luận
và tài liệu tham khảo: Chương 1 trình bày tổng quan về các tính chất điện
tử của graphene, các kết quả nghiên cứu trước đây về chuyển tiếp n-p-nvà
GQD. Chương 2 giới thiệu về các phương pháp lý thuyết và tính số được sử
dụng trong các nghiên cứu của luận án. Chương 3 là các kết quả nghiên cứu
về truyền dẫn điện tử trong chuyển tiếp n-p-ngraphene. Chương 4 mô tả các
kết quả nghiên cứu về cấu trúc năng lượng và các tính chất liên quan của các
GQD hình tròn (CGQDs) tạo bởi thế tĩnh điện, đồng thời trình bày kết quả
phát triển phương pháp T-ma trận cho CGQDs nằm trong từ trường vuông
góc và đồng nhất.
2
Chương 1
Các tính chất điện tử của
graphene
1.1 Cấu trúc tinh thể và cấu trúc vùng của
graphene
Graphene là một lớp đơn nguyên tử carbon trong đó các nguyên tử carbon
nằm ở các nút của một mạng tổ ong 2 chiều. Ta có thể coi mạng graphene là
mạng Bravais lục giác với hai nguyên tử A và B trong một ô cơ sở. Cấu trúc
vùng của graphene có thể được xác định nhờ gần đúng liên kết chặt (tight
binding). Khi chỉ xét đến tương tác giữa các lân cận gần nhất trong mạng
graphene, hệ thức tán sắc của điện tử cho bởi
E(k) = ±tq4 cos(πkxa√3) cos(πkya) + 4 cos2(πkya) + 1 .(1.1)
trong đó t=Rφ∗(r−rA)ˆ
Hφ(r−rB)d3rđược gọi là năng lượng bước nhảy
giữa các phối trí cấp 1, hay lân cận gần nhất giữa A sang B. Trong graphene,
t≈2.7eV. Cấu trúc vùng năng lượng cho bởi công thức (1.1) được biểu diễn
trên Hình 1.1. Dấu trừ ở đầu vế bên phải của công thức (1.1) tương ứng với
vùng năng lượng bên dưới, gọi là vùng π, còn dấu cộng tương ứng với vùng
bên trên, gọi là vùng π∗. Có thể thấy rằng hai vùng này bị suy biến tại các
điểm Kvà K′, được gọi là các điểm Dirac.
Ở nhiệt độ 0K, vùng πbị lấp đầy trong khi vùng π∗là trống, và năng
lượng Fermi EF= 0. Đặt k=K+q, trong đó Klà véc-tơ xung lượng tại
điểm Khoặc K′và qlà xung lượng tương đối so với xung lượng tại điểm
3
