Nghiên cứu cấu trúc hình học và electron của cluster silic và germani pha tạp các kim loại chuyển tiếp bằng hóa học lượng tử

Silic và germani là những chất bán dẫn quan trọng được sử dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp vi điện tử hiện đại. Cluster silic và germani tinh khiết được nghiên cứu rộng rãi do có khả năng tạo thành vật liệu với các tính chất điện tử và từ tính đặc biệt. Tuy nhiên, cluster silic và germani tinh khiết có khả năng phản ứng hóa học cao. Để tăng cường độ bền vững, các nguyên tử kim loại chuyển tiếp được đưa vào cluster silic và germanitinh khiết. Độ bền cao của cluster silic và germani pha tạp các nguyên tử kim loại chuyển tiếp được giải thích là do các nguyên tử kim loại chuyển tiếp đã hấp thụ các liên kết thừa trên bề mặt của các cluster silic và germani tinh khiết. Trong vài thập kỷ vừa qua, nghiên cứu cấu trúc electron và tính chất của cluster silic và germani pha tạp kim loại chuyển tiếp đã trở thành một khu vực vô cùng sôi động.

Nhằm xác định được cấu trúc hình học, cấu trúc electron, và tính chất dao động của các cluster silic và germani pha tạp các kim loại chuyển tiếp như ScSin−/0 (n = 2-6), VSin−/0 (n = 3-6), CrSin−/0 (n = 3-6), TiGen−/0 (n = 2-6), VGen−/0 (n = 3-6), CoGen −/0 (n = 2-6). bằng các phương pháp tính hóa lượng tử có độ chính xác cao, nhóm nghiên cứu Trường Đại học Đồng Tháp, Bộ Giáo dục và Đào tạo, do TS. Trần Văn Tân đứng đầu đã thực hiện đề tài: “Nghiên cứu cấu trúc hình học và electron của cluster silic và germani pha tạp các kim loại chuyển tiếp bằng hóa học lượng tử” Các kết quả tính sẽ được sử dụng để giải thích độ bền tương đối của các đồng phân và nâng cao hiểu biết về phổ quang electron của cluster anion.

Những kết quả nghiên cứu các cluster VSi−/0/+, VSi4−/0, ScSin−/0 (n = 4-6), AuSi−/0, AuGe−/0, CoGen−/0 (n = 1-3), và VGen−/0 (n = 1-7) của nhóm đề tài đã cung cấp một cách đầy đủ và chính xác các thông tin về cấu trúc hình học và cấu trúc electron của các cluster được nghiên cứu. Các thông số cấu trúc, tần số dao động điều hòa, cấu hình electron, năng lượng tương đối, năng lượng tách electron… của các cluster đã được báo cáo. Qua đề tài này, nhóm nghiên cứu cũng đã đề xuất được các phiếm hàm trao đổi-tương quan phù hợp để nghiên cứu cấu trúc của các cluster của silicon và germani pha tạp kim loại chuyển tiếp bằng lý thuyết phiếm hàm mật độ. Các không gian hoạt động với số lượng phù hợp của các electron và orbital phân tử cũng đã được đề xuất để nghiên cứu cluster của silicon và germani pha tạp kim loại chuyển tiếp bằng phương pháp tính đa cấu hình CASSCF/CASPT2 và RASSCF/RASPT2.

Qua thực tế nghiên cứu cấu trúc hình học và cấu trúc electron của các cluster silicon và germani pha tạp kim loại chuyển tiếp như VSi−/0/+, VSi4−/0, ScSin−/0 (n = 4-6), AuSi−/0, AuGe−/0, CoGen−/0 (n = 1- 3), và VGen−/0 (n = 1-7), nhóm thực hiện đề tài thấy rằng phương pháp tính đa cấu hình CASSCF/CASPT2 là phù hợp để nghiên cứu cấu trúc hình học và cấu trúc electron của các cluster silicon và germani pha tạp kim loại chuyển tiếp. Tuy nhiên, vì có yêu cầu rất lớn về sức mạnh máy vi tính nên các phương pháp này mới chỉ được áp dụng để nghiên cứu các cluster có kích thước rất nhỏ. Thực tế nghiên cứu cho thấy cần thiết phải mở rộng nghiên cứu cấu trúc hình học cấu trúc electron của các cluster có kích thước lớn hơn. Điều này có thể thực hiện trong tương lai gần bằng cách kết hợp phương pháp và RASSCF/RASPT2 với hệ thống máy vi tính hiệu năng cao. Bằng cách hạn chế các quá trình kích thích electron trong không gian hoạt động, phương pháp RASSCF/RASPT2 có thể áp dụng được cho các cluster có kích thước lớn. Do đó, nhóm nghiên cứu đề xuất hướng nghiên cứu tiếp theo là sử dụng phương pháp RASSCF/RASPT2 để nghiên cứu cấu trúc hình học và cấu trúc electron của các cluster của silicon và germani pha tạp kim loại chuyển tiếp có kích thước lớn.

Những kết quả này là rất mới và có nhiều ý nghĩa về mặt khoa học cơ bản. Chúng góp phần làm sáng tỏ các thông tin về cấu trúc hình học và cấu trúc electron của các cluster thu được từ thực nghiệm. Ngoài ra, những kết quả của đề tài còn góp phần định hướng cho các khà khoa học thực nghiệm tổng hợp được các cluster có tính chất đặc biệt với khả năng ứng dụng làm vật liệu từ tính và vật liệu điện tử.

Có thể tìm đọc toàn văn Báo cáo kết quả nghiên cứu của Đề tài (Mã số 16344/2019) tại Cục Thông tin khoa học và Công nghệ Quốc gia.

P.T.T (NASATI)