Nghiên cứu tính chất điện tử và truyền dẫn của graphene trên các lớp đế bán dẫn: Ảnh hưởng của biến dạng và điện trường ngoài

Từ năm 2017 đến năm 2018, nhóm nghiên cứu tại Học viện Kỹ thuật Quân sự do TS. Nguyễn Văn Chương làm chủ nhiệm, đã thực hiện đề tài: “Nghiên cứu tính chất điện tử và truyền dẫn của graphene trên các lớp đế bán dẫn: Ảnh hưởng của biến dạng và điện trường ngoài”.

Nghiên cứu nhằm mục tiêu:

- Khảo sát và nghiên cứu cấu trúc hình học, tính chất điện tử và truyền dẫn của graphene đơn lớp, cũng như các vật liệu bán dẫn có cấu trúc tương tự như MoS2, WSe2, Al2O3, ZnO, AlN và GaN sử dụng lý thuyết phiếm hàm mật độ đồng thời nghiên cứu ảnh hưởng của quá trình biến dạng cơ học và điện trường ngoài lên tính chất điện tử và truyền dẫn của chúng sử dụng mô hình lý thuyết phiếm hàm mật độ và điện tử liên kết chặt.

- Mô hình hóa sự liên kết của màng graphene đơn lớp và hai lớp trên các bề mặt của lớp nền (đế) bán dẫn (MoS2, WSe2, Al2O3, ZnO, AlN và GaN) sử dụng lý thuyết phiếm hàm mật độ. Đồng thời, nghiên cứu vai trò và ảnh hưởng của các bề mặt lớp đế lên cấu trúc điện tử và tính chất truyền dẫn của graphene đơn lớp và kép lớp.

- Nghiên cứu ảnh hưởng của các tác động khác nhau bên ngoài thường gặp trong quá trình tổng hợp và chế tác như biến dạng và điện trường ngoài lên cấu trúc điện tử của hệ graphene đặt trên lớp đế bán dẫn. Đưa ra sự phụ thuộc của độ dẫn của màng graphene khi đặt trên lớp đế bán dẫn trong sự ảnh hưởng của biến dạng và điện trường ngoài.

- Tính toán độ linh động của các hạt tải và các đặc trưng truyền dẫn của hệ graphene/substrate sử dụng phương trình Boltzmann và gần đúng thời gian phục hồi. Đồng thời, tính toán độ dẫn đạn đạo (ballistic conduction) sử dụng phương trình Landauer-Büttiker. - Nghiên cứu khả năng hấp thụ của màng graphene trong hệ graphene/substrate khi tiếp xúc với các loại khí khác nhau như NH3, CO, CO2...ứng dụng trong công nghệ cảm biến khí

Các kết quả công bố của đề tài này mô tả cụ thể như sau:

1. Sử dụng lý thuyết phiếm hàm mật độ (DFT), chúng tôi đã nghiên cứu ảnh hưởng của biến dạng trục lên tính chất điện tử và truyền dẫn của vật liệu hai chiều đơn lớp MoS2 có cấu trúc tựa graphene. Kết quả nghiên cứu của chúng tôi cho thấy, khi có mặt biến dạng, có sự thay đổi từ bán dẫn vùng cấm thẳng sang bán dẫn vùng cấm xiên trong MoS2. Đồng thời, có thể xảy ra hiện tượng chuyển tiếp từ bán dẫn – kim loại khi giá trị biến dạng vượt quá 18%. Khi nghiên cứu các đặc trưng truyền dẫn của MoS2, chúng tôi thấy rằng, độ linh động hạt tải trong MoS2 được cải thiện rất nhiều khi có mặt biến dạng trục. Các kết quả nghiên cứu này có thể làm cơ sở đối với việc tìm kiếm một loại vật liệu mới trong chế tạo các linh kiện điện tử hiệu năng cao trong tương lai. Kết quả chính của nghiên cứu này được công bố trên tạp chí Journal of Electronic Materials 47, 2018, 730-736 (Q2-Scimago). Cùng với đó, chúng tôi cũng tiến hành nghiên cứu các tính chất điện tử và quang học của một dạng vật liệu cacbon mới, C2N, cũng như ảnh hưởng của biến dạng lên các tính chất này của vật liệu. Kết quả của nghiên cứu này được công bố trên tạp chí Journal of Electronic Materials 47, 2018, 45944603 (Q2-Scimago). Với những đặc trưng về cấu trúc và tính chất nổi trội trên, các vật liệu hai chiều có cấu trúc tựa graphene như MoS2 và C2N được kỳ vọng trở thành vật liệu tiềm năng cho các ứng dụng trong công nghệ điện tử và quang điện tử.

2. Trên cơ sở các nghiên cứu về vật liệu 2 chiều trên, chúng tôi đã tiến hành nghiên cứu các tính chất điện tử của các dị chất van der Waals giữa graphene với các vật liệu bán dẫn 2 chiều như MoX2 (X = S, Se), phosphorene, antimonene, GaX (X = Se, S) sử dụng lý thuyết DFT. Đồng thời, ảnh hưởng của biến dạng và điện trường ngoài lên các tính chất điện tử của các dị cấu trúc vdW này cũng được chúng tôi nghiên cứu và thảo luận. Các nghiên cứu của chúng tôi đã chỉ ra rằng, các tính chất điện tử nổi bật của các vật liệu 2 chiều được bảo toàn trong các cấu trúc dị chất van der Waals. Đồng thời, các tính chất điện tử của các cấu trúc dị chất như độ rộng vùng cấm, tiếp xúc Schottky, chiều cao rào thế Schottky có thể điều chỉnh được bằng điện trường và biến dạng trục. Các kết quả nghiên cứu này mở ra tiềm năng ứng dụng của các dị cấu trúc này trong chế tạo các linh kiện điện tử và quang điện tử hiệu năng cao. Các kết quả nghiên cứu này đã được công bố trên nhiều tạp chí ISI uy tín và quốc tế uy tín như Applied Physics Letters 113 (2018) 171605 (Q1); Phys. Chem Chem. Phys. 20 (2018) 17899 (Q1); Journal of Alloys and Compounds 75 (2018) 765-773 (Q1); Computational Materials Science 153, (2018) 438-444 (Q1); Surface Science 668 (2018) 23-28 (Q1); J. Appl. Phys. 122 (2017) 104301 (Q2)…

3. Mở rộng các nghiên cứu về các loại vật liệu hai chiều tựa graphene, chúng tôi nghiên cứu cấu trúc xếp lớp van der Waals của chúng như SiC-MX2 (M= Mo, W and X=S, Se), graphene/h-BN/MoSe2. Các kết quả nghiên cứu này đã được chúng tôi công bố trên các tạp chí ISI uy tín và quốc tế uy tín như: Phys. Chem. Chem. Phys. 20 (2018) 24168 (Q1); Diamond and Related Materials 88 (2018) 151-157 (Q1). Các kết quả nghiên cứu sự xếp lớp giữa các vật liệu hai chiều của chúng tôi đã chỉ tiềm năng ứng dụng rất lớn của các cấu trúc xếp lớp này trong chế tạo các linh kiện điện tử tần số cao.

4. Ngoài ra, chúng tôi tiến hành nghiên cứu ảnh hưởng của sự hấp phụ các nguyên tử oxy lên các tính chất điện tử và từ tính của hệ graphene/MnO đơn và kép lớp sử dụng lý thuyết phiếm hàm mật độ. Kết quả nghiên cứu này đã được chúng tôi công bố trên tạp chí Superlattices and Mictrostructures, 117 (2018) 72-81 (Q2).

Có thể tìm đọc toàn văn Báo cáo kết quả nghiên cứu của Đề tài (Mã số 15682 tại Cục Thông tin Khoa học và Công nghệ Quốc gia.

N.P.D (NASATI)