ĐẠI HỌC HUẾ
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM
NGUYỄN QUANG CƯỜNG
TÍNH CHẤT ĐIỆN TỬ VÀ 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)
TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ
HUẾ, 2024
ĐẠI HỌC HUẾ
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM
NGUYỄN QUANG CƯỜNG
TÍNH CHẤT ĐIỆN TỬ VÀ 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)
Chuyên ngành: Vật lý lý thuyết và vật lý toán
Mã số: 9 44 01 03
TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ
Người hướng dẫn khoa học
PGS.TS. NGUYỄN VĂN CHƯƠNG
PGS.TS. LÊ THỊ THU PHƯƠNG
HUẾ, 2024
PHẦN MỞ ĐẦU
1. Lí do chọn đề tài
Từ khi được tổng hợp thành công bằng thực nghiệm vào năm 2020, họ vật liệu
MA2Z4(M = kim loại chuyển tiếp; A = Si, Ge; Z = N, P) đã được cộng đồng nghiên
cứu khoa học đặc biệt chú ý. Các nghiên cứu lý thuyết lẫn thực nghiệm đã cho thấy
đây là một loại vật liệu của tương lai khi sở hữu nhiều tính chất vật lý nổi trội, phù
hợp trong ứng dụng chế tạo các thiết bị điện tử có kích thước nano. Hơn nữa, tính
chất vật lý của các đơn lớp bán dẫn trong họ vật liệu này cũng có thể được điều
chỉnh một cách linh hoạt bằng các phương pháp khác nhau như biến dạng, điện
trường. Hiện nay, phương pháp xây dựng các dị cấu trúc van der Waals (vdW) bằng
cách kết hợp các vật liệu đơn lớp với nhau là một trong những phương pháp hiệu
quả giúp điều chỉnh tính chất vật lý của các đơn lớp và bảo tồn các tính chất đặc
trưng nổi trội của vật liệu, giúp nâng cao tiềm năng ứng dụng của vật liệu.
Hiệu ứng tiếp xúc giữa các vật liệu hai chiều trong dị cấu trúc vdW cũng đóng
một vai trò hết sức quan trọng, ảnh hưởng lớn đến khả năng ứng dụng của vật liệu
và hiệu suất hoạt động của các thiết bị linh kiện điện tử. 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 nhiều hướng ứng dụng
khác nhau cho vật liệu cấu trúc dị thể. Hiện nay, các nghiên cứu 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 MoSi2N4hay MoGe2N4còn nhiều hạn chế. Vì vậy, tôi đã chọn
hướng nghiên cứu với đề tài "Tính chất điện tử và 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) " để thực hiện luận án tiến sĩ chuyên ngành Vật lý
lý thuyết và vật lý toán.
2. Mục tiêu nghiên cứu
2.1. Mục tiêu tổng quát
Mục tiêu của luận án là nghiên cứu các tính chất điện tử và sự hình thành tiếp
xúc kim loại−bán dẫn và bán dẫn−bán dẫn trong cấu trúc dị thể vdW giữa họ vật
liệu MA2Z4(M = kim loại chuyển tiếp; A = Si, Ge; Z = N, P): MoSH/MoSi2N4,
GR/MoGeSiN4, BP/MoGe2N4, C3N4/MoSi2N4.
2.2. Mục tiêu cụ thể
•Khảo sát tính chất điện tử và đặc trưng tiếp xúc trong cấu trúc dị thể kim
loại−bán dẫn: MoSH/MoSi2N4, GR/MoGeSiN4.
•Khảo sát tính chất điện tử và đặc trưng tiếp xúc trong cấu trúc dị thể bán
dẫn−bán dẫn: BP/MoGe2N4, C3N4/MoSi2N4.
•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/MoSi2N4, GR/MoGeSiN4, BP/MoGe2N4,
C3N4/MoSi2N4.
1
•Khảo sát sự ảnh hưởng của biến dạng cấu trúc đến tính chất điện tử và
đặc trưng tiếp xúc trong các cấu trúc dị thể MoSH/MoSi2N4, GR/MoGeSiN4,
BP/MoGe2N4, C3N4/MoSi2N4.
3. Đối tượng và nội dung nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu trong luận án này các cấu trúc dị thể vdW giữa họ vật
liệu MA2Z4với các vật liệu kim loại và bán dẫn khác, cụ thể là MoSH/MoSi2N4,
GR/MoGeSiN4, BP/MoGe2N4, C3N4/MoSi2N4.
Nội dung nghiên cứu của đề tài tập trung vào các tính chất điện tử và sự hình
thành tiếp xúc giữa các đơn lớp, bao gồm các vấn đề sau:
•Xây dựng cấu trúc hình học của các cấu trúc dị thể vdW kim loại−bán dẫn
(MoSH/MoSi2N4và GR/MoGeSiN4) và bán dẫn−bán dẫn (BP/MoGe2N4và
C3N4/MoSi2N4).
•Khảo sát độ ổn định trong thực tiễn của các cấu trúc dị thể đã được xây dựng
thông qua tính toán phổ phonon và năng lượng liên kết. Độ bền cơ học của các
cấu trúc dị thể cũng được tính toán thông qua tính toán mô-đun Young.
•Khảo sát cấu trúc vùng năng lượng và sự dịch chuyển điện tích giữa các đơn lớp
trong các cấu trúc dị thể.
•Khảo sát sự hình thành rào thế tiếp xúc trong các cấu trúc dị thể kim loại−bán
dẫn và loại chuyển tiếp dị thể trong các cấu trúc dị thể bán dẫn−bán dẫn.
•Nghiên cứu và đánh giá ảnh hưởng của biến dạng cơ học và điện trường ngoài
lên tính chất điện tử và sự chuyển đổi loại tiếp xúc trong các cấu trúc dị thể.
4. Phương pháp nghiên cứu
Trong luận án này, các tính toán được thực hiện dựa trên phương pháp lý thuyết
phiếm hàm mật độ (Density Functional Theory – DFT) thông qua phần mềm mô
phỏng Vienna simulation package (VASP) và Quantum Espresso. Phương pháp này
đang được sử dụng một cách rộng rãi trong lĩnh vực nghiên cứu khoa học vật liệu
và đã cho thấy được độ hiệu quả trong nghiên cứu các tính chất vật lý của vật liệu.
Để nghiên cứu tính chất dao động của các vật liệu, chúng tôi đã tiến hành tính
toán phổ phonon thông qua phương pháp lý thuyết nhiễu loạn phiếm hàm mật độ
(Density Functional Perturbation Theory – DFPT) được tích hợp trong phần mềm
mô phỏng VASP.
5. Những đóng góp mới của luận án
•Cung cấp thông tin về cấu trúc hình học và tính chất điện tử của các cấu trúc
dị thể đã xây dựng. Kết quả cho thấy các cấu trúc này bền vững về mặt năng
lượng và động học.
•Đã khảo sát ảnh hưởng của cấu trúc tinh thể đến tính chất điện tử của vật liệu.
Rào thế tiếp xúc được hình thành trong các cấu trúc dị thể kim loại−bán dẫn
có thể được tùy chỉnh bằng cách 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
2
chồng giữa graphene và Janus MoGeSiN4đã làm xuất hiện 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/MoSi2N4có hình thành rào thế
Schottky với chiều cao rào thế nhỏ, rất phù hợp cho các linh kiện điện tử thế
hệ mới với điện thế tiếp xúc nhỏ.
•Xác định được quy luật biến đổi đặc tính tiếp xúc trong các cấu trúc dị thể
dưới điện trường ngoài và biến dạng. Thông qua biến dạng hay điện trường, các
mức năng lượng dải biên trong cấu trúc dịch chuyển, giúp chuyển đổi loại tiếp
xúc Schottky hoặc biến đổi sang tiếp xúc Ohmic trong các cấu trúc dị thể kim
loại−bán dẫn. Trong cấu trúc dị thể bán dẫn−bán dẫn, sự dịch chuyển các mức
năng lượng dải biên gây ra sự chuyển đổi tiếp xúc chuyển tiếp dị thể.
6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án
Luận án đã nghiên cứu tính chất điện tử và đặc trưng tiếp xúc trong các cấu
trúc xếp chồng bởi họ vật liệu MA2Z4(M = kim loại chuyển tiếp; A = Si, Ge; Z =
N, P) và các đơn lớp kim loại, bán dẫn khác. Kết quả tính toán được giải thích và
so sánh với các kết quả lý thuyết và thực nghiệm đã được công bố trước đó.
Các kết quả nghiên cứu trong luận án đã cung cấp những hiểu biết rõ ràng hơn
về tính chất điện tử của các cấu trúc dị thể có hình thành tiếp xúc kim loại−bán
dẫn hay bán dẫn−bán dẫn. Bên cạnh đó, luận án cũng đưa ra những thông tin hữu
ích, góp phần xây dựng cơ sở khoa học cho các nghiên cứu thực nghiệm sau này.
Kết quả đạt được của luận án đã góp phần khẳng định độ hiệu quả và chính
xác của phương pháp lý thuyết phiếm hàm mật độ khi được sử dụng để giải thích
và dự đoán tính chất điện tử của các vật liệu.
7. Bố cục của luận án
Phần nội dung của luận án được chia thành bốn chương. Cụ thể:
•Chương 1 trình bày các vấn đề tổng quan của họ vật liệu MA2Z4(M = kim loại
chuyển tiếp; A = Si, Ge; Z = N, P), các cấu trúc dị thể vdW và cơ sở lý thuyết
của phương pháp lý thuyết phiếm hàm mật độ.
•Chương 2 trình bày về tính chất điện tử và sự hình thành tiếp xúc kim loại−bán
dẫn trong cấu trúc dị thể vdW giữa họ vật liệu MA2Z4(M = kim loại chuyển
tiếp; A = Si, Ge; Z = N, P) và vật liệu kim loại.
•Chương 3 trình bày về tính chất điện tử và sự hình thành tiếp xúc bán dẫn−bán
dẫn trong cấu trúc dị thể vdW giữa họ vật liệu MA2Z4(M = kim loại chuyển
tiếp; A = Si, Ge; Z = N, P) và vật liệu bán dẫn.
•Chương 4 trình bày về ảnh hưởng của biến dạng cơ học và điện trường ngoài
đến sự thay đổi tính chất điện tử và hiệu ứng tiếp xúc trong các cấu trúc dị thể.
Các kết quả nghiên cứu được trình bày trong luận án đã được chúng tôi công
bố trong 04 công trình khoa học được đăng trên tạp chí quốc tế nằm trong danh
mục SCIE, 01 công trình trên Tạp chí Khoa học Đại học Huế: Khoa học Tự nhiên
và 01 công trình trên Tạp chí Khoa học Trường Đại học Sư phạm, Đại học Huế.
3
