Nghiên cứu lý thuyết cấu trúc vùng năng lượng và các tính chất truyền dẫn của điện tử ở các cấu trúc nano dựa trên graphene và các vật liệu tựa graphene.

Như chúng ta đã biết, cách mạng có nghĩa là thay đổi một cách toàn diện. Đất nước và xã hội phát triển, đặc biệt là khoa học - công nghệ đang phát triển mạnh mẽ như vũ bão, chúng ta đang chạy đua với cuộc cách mạng 4.0 mà ưu tiên phát triển trong 03 lĩnh vực then chốt như: Kĩ thuật số, Công nghệ sinh học và Vật lí học. Do vậy nhu cầu của vật lí điện tử mong muốn là tăng tốc độ xử lí của các linh kiện nhưng đồng thời là phải giảm được kích thước của các linh kiện. Ngoài việc cải thiện tính chất của các linh kiện điện tử, thì công cuộc tìm kiếm các vật liệu mới thay thế cho các vật liệu điện tử truyền thống luôn là đòi hỏi cần thiết và cấp bách của mọi thời đại. 

 

 

Trải qua nhiều thế kỷ khai thác, sử dụng và nghiên cứu các sản phẩm của thiên nhiên, con người nhận thấy rằng carbon là thành phần thường chiếm hàm lượng rất lớn trong các hợp chất hữu cơ. Nhận thấy tầm ảnh hưởng sâu rộng này của carbon, từ đầu những năm 1900 các nhà khoa học đã tiến hành các nghiên cứu trên các dạng thù hình của carbon trong tự nhiên, mà trước hết là than chì (graphite). Năm 1946, lần đầu tiên cấu trúc năng lượng của một đơn lớp của graphite được tiên đoán bằng lý thuyết bởi P.R. Wallace cho thấy những đặc tính điện tử dị thường với độ linh động của electron vô cùng cao, hứa hẹn những ứng dụng tuyệt vời cho công nghiệp điện tử. 

Năm 2004, Andre Geim cùng các cộng sự đã tách thành công một lớp đơn nguyên tử carbon từ than chì, chứng minh sự tồn tại của một loại vật liệu hai chiều cấu thành từ carbon và được gọi là Graphene. Sự ra đời của graphene cùng những tiên đoán về tính chất điện tử của nó đã hứa hẹn những triển vọng ứng dụng vô cùng to lớn cho ngành công nghệ bán dẫn đồng thời thúc đẩy mạnh mẽ các nghiên cứu từ cơ bản đến ứng dụng dựa trên graphene cũng như các vật liệu hai chiều khác. Do vậy, nhóm nghiên cứu bao gồm Cơ quan chủ quản Quỹ phát triển KH&CN QG cùng phối hợp với Chủ nhiệm đề tài Giáo sư Vũ Thanh Trà thực hiện, đặt ra mục tiêu của đề tài là nghiên cứu lý thuyết cấu trúc năng lượng và các đặc trưng dẫn điện ở các cấu trúc nano dựa trên graphene và các vật liệu 2 chiều tương tự graphene sử dụng các phương pháp liên kết mạnh, DFT (density functional theory) và phương pháp hàm Green.

Đề tài đã tập trung nghiên cứu lý thuyết về cấu trúc vùng năng lượng và các đặc trưng dẫn điện mới ở các cấu trúc nano dựa trên graphene và các vật liệu tương tự graphene với mục tiêu hiểu sâu hơn về các tính chất, các tham số ảnh hưởng lên tính chất truyền dẫn. Nhưng quan trọng hơn là tìm ra được một phương pháp hiệu điều khiển vùng cấm của vật liệu 2 chiều, qua đó ứng dụng vào tăng cường hiệu ứng Seebeck và hiệu quả hoạt động của transitor dựa trên các vật liệu này.

Đề tài đã phát triển, hoàn thiện tính cấu trúc vùng năng lượng và đặc trưng dẫn cũng như điều khiển độ dẫn điện trên các bề mặt của các vật liệu oxide như: (1) hệ giả hai chiều LaAlO3/SrTiO3, (2) Graphene hai lớp nanoribbons, (3) Vật liệu hai chiều tựa Graphene - Penta Graphene. Cụ thể là: 

1) Đối với hệ giả hai chiều LaAlO3/SrTiO3 (LAO/STO): Đây là đối tượng nhóm nghiên cứu đã hiểu rõ và có nhiều kinh nghiệm trong việc xây dựng cấu trúc nhưng tính toán lí thuyết bằng phương pháp liên kết mạnh thì không có. Do vậy, đối với đề tài này xem như tập sự nghiên cứu bằng phương pháp liên kiết mạnh đi khảo sát lại cấu trúc vùng, đánh giá lại các tham số ảnh hưởng lên cấu trúc, và đã khảo sát cấu trúc vùng năng lượng và ngoài ra đã thành công trong việc điều khiển độ dẫn điện của khí điện tử hai chiều LAO/STO như một khóa đóng ngắt mạch điện cho các thiết bị điện tử ở kích thước nano và ngoài ra còn nghiên cứu điều khiển cả cho bề mặt của vật liệu siêu dẫn và từ tính. Sử dụng hạt nano vàng mọc theo hướng (111) trên nền LAO/STO như một xúc tác ngoài để điều khiện độ dẫn điện của khí điện tử hai chiều này. Do mức năng lượng Fermi của vàng rất cao, và mức Fermi của lớp khí điện tử hai chiều LAO/STO rất thấp, hệ cân bằng mức Fermi, bắt buộc lượng điện tử tự do từ các hạt nano vàng phải chuyển qua giếng lượng tử và bị giam giữ tại đó, làm cho bề mặt của khí điện tử trở nên dẫn điện tốt hơn. Kết quả cực kì thú vị, khi nồng độ hạt vàng tăng lên, cùng với xúc tác của ánh sáng khả kiến, các điện tử tự do từ các hạt nano vàng được kích thích lại tiếp tục nhảy vào khí điện tử hai chiều, và với hai trạng thái của ánh sáng khả kiến (Đóng/ngắt – ON/OFF ánh sáng) thì điện trở quang có thể điều khiển được tăng lên đến vài trăm lần, và đặc biệt, chúng tôi hoàn toàn có khả năng điều khiển việc chuyển từ trạng thái điện môi (lớp LAO3uc/STO điện môi có điện trở cực lớn) sang trạng thái dẫn kim loại giống như điều khiển bằng lớp vật liệu phân cực PZT. Với nội dung trên, nghiên cứu đã có đăng 01 bài báo trên tạp chí trong nước.

2) Đối với Graphene hai lớp nanoribbons: Sau khi khảo sát hệ hai chiều LAO/STO, tiếp tục khảo sát ảnh hưởng của điện trường vuông góc và song song lên cấu trúc vùng năng lượng cũng như các đặc trưng dẫn và hệ số Seebeck cho cả hai biên Armchair và Zigzag Graphene hai lớp. Khảo sát được cấu trúc vùng năng lượng, mật độ trạng thái cũng như hệ số truyền dẫn của Graphene hai lớp khi có và khi không có tác dụng của điện trường ngoài. Dưới tác dụng của điện trường ngoài thì độ rộng vùng cấm có thể mở ra mạnh mẽ trong cấu trúc của Armchair (cho nhóm 3p+2) và Zigzag Graphene hai lớp, từ đó có thể chuyển pha kim loại sang bán dẫn, ứng dụng vào công nghiệp transistor. Bên cạnh đó, cũng chỉ ra được, ngoài việc làm thay đổi mạnh mẽ cấu trúc vùng năng lượng và các đặc trưng dẫn thì điện trường ngoài còn có ảnh hưởng không nhỏ lên hệ số Seebeck của cấu trúc Graphene hai lớp. Đặc biệt, với việc kết hợp cả hai điện trường này, đã thành công khi nâng cao hệ số chuyển đổi nhiệt của Graphene hai lớp lên đến 17-20 lần, cao hơn rất nhiều so với các kết quả đã tính trước đó. Với nội dung này, 03 bài báo được đăng trên ISI. 

3) Đối với Vật liệu hai chiều tựa Graphene - Penta Graphene: Xây dựng mô hình tính toán cấu trúc vùng năng lượng và đặc trưng dẫn cho vật liệu tựa Graphene là Penta - Graphene. Xây dựng được cấu trúc vùng năng lượng của Penta - Graphene bằng phương pháp tính toán đơn giản là gần đúng liên kết mạnh. Kết quả tương đối phù hợp với các bài báo sử dụng phương pháp tính số khác trước đó. Đặc biệt, dựa trên nền tảng của Graphene, đưa điện trường vào để điều khiển độ rộng vùng cấm cũng như ứng dụng trong điều khiển linh kiện sử dụng Penta- graphene với hiện tượng chuyển pha điện môi của vật liệu Penta - Graphene sang pha kim loại như của Graphene. 

Có thể tìm đọc báo cáo kết quả nghiên cứu (mã số 15245/2018) tại Cục Thông tin KH&CNQG

Đ.T.V (NASATI)