Nghiên cứu mô hình hóa và mô phỏng cấu trúc nano xốp zno

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

NGUYỄN THỊ THẢO

NGHIÊN CỨU MƠ HÌNH HĨA VÀ MƠ PHỎNG CẤU TRÚC

Tai Lieu Chat Luong

NANO XỐP ZnO

LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ

Hà Nội - 2017


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

NGUYỄN THỊ THẢO

NGHIÊN CỨU MƠ HÌNH HĨA VÀ MƠ PHỎNG CẤU TRÚC
NANO XỐP ZnO

Chuyên ngành: Vật lý lý thuyết và vật lý toán
Mã số: 62440103

LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
PGS. TS. Vũ Ngọc Tước

Hà Nội - 2017


LỜI CAM ĐOAN

Tơi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của riêng tôi, được thực hiện dưới
sự hướng dẫn của PGS. TS. Vũ Ngọc Tước. Các kết quả nêu trong luận án là trung thực và
chưa từng được ai khác công bố.

Hà Nội, ngày tháng
Giáo viên hướng dẫn

năm

Tác giả luận án

PGS. TS. Vũ Ngọc Tước

Nguyễn Thị Thảo

i


LỜI CẢM ƠN

Đầu tiên, tơi xin tỏ lịng cảm ơn sâu sắc tới người thầy của tôi - PGS.TS. Vũ Ngọc
Tước. Trong quá trình làm việc thực hiện luận án, tơi đã nhận được sự hướng dẫn tận tình
của Thầy. Thầy đã động viên, khích lệ tơi vượt qua khó khăn trong công việc, cũng như đặt
ra các vấn đề nghiên cứu có tính thời sự cao và tạo hứng khởi trong nghiên cứu để tôi theo
đuổi đề tài luận án.

Tiếp theo tôi xin cảm ơn sự chân thành giúp đỡ, đóng góp ý kiến về mặt khoa học
cũng như sự động viên tinh thần, tạo mọi điều kiện thuận lợi của các đồng nghiệp, các
Thầy cô trong viện Vật lý kỹ thuật và Viện đào tạo sau đại học, Trường Đại học Bách Khoa
Hà Nội và cơ quan chủ quản của tôi Trường Đại học Hồng Đức.
Cuối cùng, tôi xin cảm ơn sự động viên, tạo điều kiện tốt nhất của Gia đình tơi, đặc
biệt là bố mẹ, chồng và các con tơi để tơi có thể tập trung nghiên cứu và hoàn thành luận
án này.

Hà Nội, ngày tháng năm
Tác giả luận án

Nguyễn Thị Thảo

ii


MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ................................................................................................................... i
LỜI CẢM ƠN........................................................................................................................ ii
MỤC LỤC ............................................................................................................................ iii
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT........................................................... vi
DANH MỤC CÁC BIỂU BẢNG......................................................................................... ix
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ ĐỒ THỊ ................................................................................ x
MỞ ĐẦU ............................................................................................................................ xiv
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU VÀ CÁC CẤU TRÚC NANO BÁN DẪN
THẤP CHIỀU ....................................................................................................................... 1
1.1. Tổng quan về vật liệu và cấu trúc nano bán dẫn thấp chiều ....................................... 2
1.1.1. Định nghĩa vật liệu nano ...................................................................................... 2
1.1.2. Phân loại vật liệu nano ......................................................................................... 3
1.1.3. Chế tạo vật liệu nano ............................................................................................ 6

1.2. Tổng quan về các vật liệu nghiên cứu ...................................................................... 12
1.2.1. Sơ lược về vật liệu bán dẫn ................................................................................ 12
1.2.2. Phân loại vật liệu bán dẫn theo cấu trúc nguyên tử ............................................ 13
1.2.3. Vật liệu ôxit kẽm (ZnO) ..................................................................................... 13
1.2.3.1. Đặc điểm cấu trúc và các thuộc tính:.......................................................... 14
1.2.3.2. Ứng dụng tiềm năng ................................................................................... 18
1.3. Cấu trúc nano xốp ..................................................................................................... 23
1.3.1. Phân loại nano xốp ............................................................................................. 23
1.3.2. Zeolite - Nano xốp vô cơ .................................................................................... 26
1.3.3. Khung kim loại hữu cơ - MOF ........................................................................... 27
1.3.4. Siêu vật liệu ........................................................................................................ 28
1.3.5. Các tinh thể Fullerite .......................................................................................... 31
1.3.6. Các khoáng sét nanoclay .................................................................................... 32
1.4. Kết luận ..................................................................................................................... 34
CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT PHIẾM HÀM MẬT ĐỘ VÀ GẦN ĐÚNG LIÊN KẾT
CHẶT DỰA TRÊN DFT ..................................................................................................... 35
2.1. Phương trình Schrưdinger độc lập thời gian ............................................................ 35
2.2. Gần đúng Born-Oppenheimer ................................................................................... 36
2.3. Lý thuyết phiếm hàm mật độ DFT............................................................................ 38
iii


2.3.1. Các Định lý Hưhenberg-Kohn............................................................................ 39
2.3.2. Phương trình Kohn-Sham .................................................................................. 40
2.3.3. Thế hiệu dụng Kohn-Sham ................................................................................ 42
2.3.4. Phiếm hàm trao đổi tương quan ......................................................................... 42
2.3.4.1. Gần đúng mật độ cục bộ ............................................................................. 43
2.3.4.2. Gần đúng Gradient tổng quát ..................................................................... 44
2.3.5. Phương pháp trường tự hợp ............................................................................... 45
2.4. Phương pháp phiếm hàm mật độ kết hợp gần đúng liên kết chặt tự hợp điện tích

SCC-DFTB ...................................................................................................................... 47
2.4.1. Mơ hình gần đúng liên kết chặt .......................................................................... 47
2.4.2. Phương pháp SCC-DFTB .................................................................................. 48
2.4.2.1. Sắp xếp lại công thức năng lượng tổng Kohn-Sham .................................. 49
2.4.2.2. Các gần đúng SCC-DFTB .......................................................................... 50
2.5. Kết luận ..................................................................................................................... 54
CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU CÁC CẤU TRÚC NANO XỐP MẬT ĐỘ THẤP BẰNG
PHƯƠNG PHÁP TIẾP CẬN TỪ DƯỚI LÊN .................................................................... 56
3.1. Phương pháp dự đoán cấu trúc bằng cách tiếp cận từ dưới lên ................................ 56
3.2. Tính tốn chi tiết ....................................................................................................... 65
3.2.1. Năng lượng liên kết, độ bền vững của cấu trúc.................................................. 65
3.2.2. Cấu trúc vùng năng lượng của điện tử [29]........................................................ 68
3.2.3. Các thông số cấu trúc ......................................................................................... 71
3.3. Kết luận ..................................................................................................................... 74
CHƯƠNG 4: NGHIÊN CỨU CÁC CẤU TRÚC NANO XỐP KÊNH RỖNG DẠNG LỤC
GIÁC BẰNG PHƯƠNG PHÁP TIẾP CẬN TỪ TRÊN XUỐNG ...................................... 76
4.1. Phương pháp thiết kế cấu trúc bằng phương pháp từ trên xuống ............................. 76
4.2. Chi tiết tính tốn ....................................................................................................... 78
4.2.1. Năng lượng dao động tự do ................................................................................ 81
4.2.2. Tính mật độ trạng thái phonon bằng lý thuyết DFT........................................... 83
4.3. Các cấu trúc nano xốp kênh rỗng dạng lục giác ....................................................... 84
4.3.1. Mô tả về cách phân loại cấu trúc ........................................................................ 84
4.3.2. Năng lượng liên kết, độ bền vững của pha và phương trình trạng thái .............. 87
4.3.3. Cấu trúc vùng điện tử ......................................................................................... 89
4.3.4. Kết quả và thảo luận ........................................................................................... 94
4.4. Kết luận ................................................................................................................... 101

iv

CHƯƠNG 5: NGHIÊN CỨU CÁC CẤU TRÚC NANO XỐP KÊNH RỖNG DẠNG TAM
GIÁC VÀ THOI BẰNG PHƯƠNG PHÁP TIẾP CẬN TỪ TRÊN XUỐNG ................... 102
5.1. Thiết kế các cấu trúc nano xốp kênh rỗng dạng thoi và tam giác ........................... 102
5.2. Chi tiết tính tốn ..................................................................................................... 105
5.3. Đánh giá độ bền vững của cấu trúc ......................................................................... 106
5.4. Mô phỏng ảnh nhiễu xạ tia X.................................................................................. 109
5.5. Tính chất cơ học của các cấu trúc ........................................................................... 111
5.6. Tính chất điện tử .................................................................................................... 114
5.7. Kết luận ................................................................................................................... 123
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ........................................................................................... 124
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................................. 126
DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN ............................. 138

v


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
KH &CN:

Khoa học và cơng nghệ

KH:

Khoa học

CN:

Cơng nghệ

KHVL:

Khoa học vật liệu

TD:

Thí dụ

WZ:

Wurtzite

ZB:

Zincblende

0D:

0 dimension

1D:

1 dimention

2D:

2 dimension

3D:

3 dimension

HW:

Half Wall

SW:

Single Wall

1.5W:

1.5 Wall

DW:

Double Wall

2.5W:

2.5 Wall

TW:

Triple Wall

3.5W:

3.5 Wall

QW:

Quadruple Wall

CMS:

Computational Materials Science

MD:

Molecular Dynamics

DFT:

Density Functional Theory

TB:

Tight-Binding

DFTB:

Density Functional based Tight-Binding

SCF:

Self- Sonsistent Field

SCC-DFTB: Self Consistent Charge Density Functional based Tight-Binding
TDDFTB:

Time Dependent Density Functional based Tight-Binding

VASP:

The Vienna Ab initio Simulation Package

SIESTA:

Spanish Initiative for Electronic Simulations with Thousands of Atoms

VESTA:

Visualization System of Electronic and Structural Analysic

XRD:

X Ray Diffraction
vi


LDA:

Local Density Approximation

GEA:

Geradient Expansion Approximation

GGA:

Gneralized Gradient Approximation

PBE:

Perdew-Burke-Ernzerhof

PBESol:

Perdew-Burke-Ernzerhof Solid

HSE:

Heyd-Scuseria-Ernzerhof

STO:

Slater Type Orbitals

SK:

Slater Koster

HF:

Hatree Fock

BM:

Bulk Modulus

XC:

Exchange Corelational

DOS:

Densities Of States

PDOS:

Projected Densities Of States

MOF:

Metal Organic Framework

HOMO:

Hightest Occupied Molecular Orbital

LUMO:

Lowest Unoccupied Molecular Orbital

CBM:

Conduction Band Minimum

VBM:

Valence Band Maximum

TEM:

Transmission Electron Microscopy

SEM:

Scanning Electron Microscope

AFM:

Atomic Force Microscope

NEMS:

Nano Electric Mechanical System

MEMS

Micro Electronic Mechanical System

CMOS:

Complementary Metal-Oxide-Semiconductor

CVD:

Chemical Vapour Deposition

PVD:

Physical Vapor Deposition

MC:

Micromechanical Cleavage

RNA:

Ribo Nucleic Acid

DNA:

Deoxyribo Nucleic Acid

NP:

Nano Particle

NP-DNA :

Nano Particle - DeoxyriboNucleic Acid

UV:

Ultra Violet

IR:

Infra Red

ITO:

Indium Tin Oxide
vii


FET:

Field Effect Transistor

TTET:

Transparent Thin Film Transistors

LED:

Light Emitting Diode

OLED:

Organic LightEmiting Diode

LCD:

Liquid Crystal Display

MR:

Member Ring

IZA:

International Zeolite Association

viii


DANH MỤC CÁC BIỂU BẢNG

Bảng 1.1: Bảng các tham số của vật liệu bán dẫn nhóm II-VI [117] .............................. 22
Bảng 1.2: Modul khối của vật liệu ZnO [131] ................................................................ 23
Bảng 3.1: Bảng tổng hợp các thông số đặc trưng của tất cả các pha nano xốp đã nghiên
cứu của ZnO. .................................................................................................................... 72
Bảng 4.1: Các đặc trưng vật lý của một vài cấu trúc rỗng được tính bởi DFTB+ và DFT
...................................................................................................................................... ...79
Bảng 4.2: Bảng tổng hợp thông số đặc trưng của các cấu trúc nano xốp kênh rỗng dạng
lục giác..............................................................................................................................95
Bảng 5.1: Bảng tổng hợp ba họ cấu trúc rỗng ZnO được thiết kế nghiên cứu.... ..........103
Bảng 5.2: Hằng số mạng (a và c), độ dài liên kết Zn-O trung bình (l), góc liên kết Zn-OZn (dịng trên), O-Zn-O (dịng dưới) (  ) và độ rộng vùng cấm của một vài cấu trúc đại
diện cho họ A, được tính theo cả DFTB+ và DFT......................................................... 105
Bảng 5.3: Bảng tổng hợp thông số đặc trưng của tất cả các cấu trúc nano xốp rỗng họ A
.......................................................................................................................... .............115
Bảng 5.4: Bảng tổng hợp thông số đặc trưng của tất cả các cấu trúc nano xốp rỗng họ B
.......................................................................................................................... .............117
Bảng 5.5: Bảng tổng hợp thông số đặc trưng của tất cả các cấu trúc nano xốp rỗng họ C
....................................................................................................................................... 120

ix

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ ĐỒ THỊ
Hình 1.1: Sự tiến hóa về độ rộng vùng cấm phụ thuộc vào bề dày vách xốp cũng như là
kích thước hốc rỗng trong một cấu trúc nano xốp 3D, cho thấy một sự tương tự như hiệu
ứng đặc tính phụ thuộc vào kích thước trong các cấu trúc nano bán dẫn thấp chiều truyền
thống [83]. ............................................................................................................................. 3
Hình 1.2: Cấu trúc nano có giam hãm theo 1 chiều (màng nano), 2 chiều (dây nano) và 3
chiều (hạt nano) [76].............................................................................................................. 3
Hình 1.3: Mật độ trạng thái năng lượng của cấu trúc khối (3D) và cấu trúc thấp chiều có
giam hãm theo 1 chiều (2D), 2 chiều (1D), 3 chiều (0D) [12]. ............................................. 4
Hình 1.4: Sơ đồ các cấu trúc nano dị chất dựa trên các thành tố xây dựng 0D (a), 1D (b),
2D (c), 3D (d) với các mặt cắt và góc nhìn khác nhau. Các thí dụ về cấu trúc xốp từ các hạt
nano CdSe (e), các lớp nano Ti3C2Tx (f), màng xốp Nb2O5 (g)[101]. ................................... 5
Hình 1.5: Các thí dụ về cơng nghệ tạo các màng xốp, ảnh SEM của các màng xốp nhìn từ
trên xuống (a-e), ảnh SEM của các màng xốp nhìn từ dưới lên (f-j) [26]. ............................ 6
Hình 1.6: Sơ đồ chế tạo các vi cấu trúc nano [86,113] ........................................................ 7
Hình 1.7: Sơ đồ nguyên lý và hình ảnh TEM tương ứng với các giai đoạn thuộc q trình
ăn mịn bằng oxy hóa ở nhiệt độ cao được gọi là ăn mịn oxy hóa hỗ trợ phối vị. Hạt Pt-Ni
thể rắn dạng polyhedral ban đầu (a), khung Pt-Ni ở trạng thái trung gian I (b), khung Pt-Ni
ở trạng thái trung gian II(c), khung Pt-Ni ở trạng thái cuối cùng (d). Thanh tỷ lệ màu đen
có độ dài 50 nm. (Hình nhỏ là hình phóng to của ảnh TEM với thanh tỷ lệ màu trắng có độ
dài 5 nm) [151]. ..................................................................................................................... 8
Hình 1.8: Sơ đồ quá trình tự lắp ráp mạng (hạt nano)-(khungDNA) (NP-DNA) [146]. ...... 9
Hình 1.9: Sơ đồ minh hoạ các kỹ thuật chính để sản xuất graphenne [27]. ....................... 10
Hình 1.10: Thang đặc trưng của việc phân loại vật liệu: điện mơi, bán dẫn và vật dẫn [1]
..............................................................................................................................................12
Hình 1.11: Cấu trúc mạng tinh thể ZnO: dạng WZ (a) và dạng ZB (b) [33].......................14
Hình 1.12:(a) Sơ đồ hoạt động của một hệ laser UV ZnO và cấu trúc các thiết bị tương
ứng, (b) cảm biến khí hoạt dựa trên các thanh nano ZnO và cấu trúc bên trong của nó [149]

............................................................................................................................................. 18
Hình 1.13: Bảng phân loại các vật liệu nano xốp [129] ..................................................... 24
x


Hình 1.14: Một vài cấu trúc Zeolite [32] ............................................................................ 26
Hình 1.15: Các đại diện quan trọng của MOF (a) và các ứng dụng tiềm năng (b) [14]. .... 28
Hình 1.16: Giản đồ sức mạnh và mật độ của vật liệu (a) và siêu vật liệu cơ học (b) [61]. 31
Hình 1.17: Cấu trúc tinh thể dạng lập phương tâm diện (FCC) của fullerite C60 [75] ...... 32
Hình 1.18: Một cấu trúc Smectite điển hình cho thấy hai tấm dạng tetrahedral [51]......... 33
Hình 2.1: Sơ đồ giải tự hợp phương trình thế ký Kohn-Sham. .......................................... 46
Hình 3.1: Các cấu trúc đã được hồi phục của các cụm ma thuật đứng độc lập được sử dụng
như là các thành tố cơ bản, từ trái sang phải Zn9O9 (a), Zn12O12-a (b), Zn12O12-b (c) và
Zn16O16-cub (d). Những quả tròn nhỏ (màu đỏ) là nguyên tử O, quả lớn (màu xám) là
nguyên tử Zn. Hình cho bởi phần mềm VESTA [128] ....................................................... 57
Hình 3.2: Từ trái qua phải: cấu trúc cụm (Zn12O12)-a đã hồi phục, cấu trúc tinh thể
(Zn12O12)-a đã hồi phục, cấu trúc pha đa hình SOD [50] .................................................... 58
Hình 3.3: Từ trái qua phải: cấu trúc cụm (Zn12O12)-a đã hồi phục, cấu trúc tinh thể
(Zn12O12)-a đã hồi phục, cấu trúc pha đa hình FAU [22,50,148] ........................................ 59
Hình 3.4: Từ trái qua phải: cấu trúc cụm (Zn12O12)-a đã hồi phục, cấu trúc tinh thể
(Zn12O12)-a đa hồi phục, cấu trúc pha đa hình LTA [74] .................................................... 60
Hình 3.5: Từ trái qua phải: cấu trúc cụm (Zn12O12)-a đã hồi phục, cấu trúc tinh thể
(Zn12O12)-a đã hồi phục, cấu trúc pha đa hình EMT [148] ................................................. 60
Hình 3.6: Từ trái qua phải: cấu trúc cụm Zn16O16 đã hồi phục, cấu trúc tinh thể Zn16O16 đã
hồi phục cấu trúc pha đa hìnhZn16O16-cub [147] ................................................................ 61
Hình 3.7: Từ trái qua phải: cấu trúc cụm Zn9O9 đã hồi phục, cấu trúc tinh thể từ cụm
Zn9O9 đã hồi phục, cấu trúc pha đa hình CAN [47] ............................................................ 62
Hình 3.8: Từ trái qua phải: cấu trúc cụm (Zn12O12)-b đã hồi phục, cấu trúc tinh thể
(Zn12O12)-b đã hồi phục, cấu trúc pha đa hình GME [47] ................................................... 62
Hình 3.9: Từ trái qua phải: cấu trúc cụm (Zn12O12)-a đã hồi phục, cấu trúc tinh thể

(Zn12O12)-a đã hồi phục, cấu trúc pha đa hình AST ........................................................... 63
Hình 3.10: Từ trái qua phải: cấu trúc cụm Zn9O9 đã hồi phục, cấu trúc tinh thể Zn9O9 đã
hồi phục, cấu trúc pha đa hình SAT .................................................................................... 64
Hình 3.11: Từ trái qua phải: cấu trúc cụm Zn9O9 đã hồi phục, cấu trúc tinh thể Zn9O9 đã
hồi phục, cấu trúc pha đa hình SBT..................................................................................... 64
xi


Hình 3.12: Sự phụ thuộc của năng lượng liên kết riêng (eV/ZnO) với thể tích tỷ đổi cho
các pha của ZnO. Các đường cong liền nét thu được bằng cách làm khớp các dữ liệu tính
tốn có sử dụng phương trình trạng thái Birch-Murnaghan bậc ba ..................................... 67
Hình 3.13: Từ trái sang phải là cấu trúc vùng của wurtzite ZnO, zincblende ZnO, SOD,
FAU ..................................................................................................................................... 70
Hình 3.14: Từ trái sang phải là cấu trúc vùng của các pha LTA, EMT, Zn16O16-cub và
CAN ..................................................................................................................................... 70
Hình 3.15: Từ trái sang phải là cấu trúc vùng năng lượng của các pha GME, AST, SAT và
SBT ..................................................................................................................................... .70
Hình 4.1: Tám chuỗi cấu trúc rỗng xốp của ZnO được thiết kế trong chương này (chỉ có ba
đại diện đầu tiên của mỗi chuỗi từ trái sang phải). Quả bóng nhỏ (màu đỏ) là nguyên tử O,
lớn (màu xám) là nguyên tử Zn, khung hình bình hành đen mờ là tế bào đơn vị được tối ưu
hóa trong mặt xy. ................................................................................................................. 86
Hình 4.2: Sự phụ thuộc của năng lượng liên kết riêng (eV/ZnO) với thể tích tỷ đối cho tất
cả các cấu trúc rỗng có kích thước nhỏ nhất (n = 2) của từng nhóm................................... 87
Hình 4.3: a) Sự phụ thuộc của suất nén theomật độ tỷ đối rỗng-trên-khối đặc b) theo bán
kính hốc rỗng cho tất cả các cấu trúc ZnO rỗng lục giác .................................................... 89
Hình 4.4: Độ rộng vùng cấm theokích thước hốc rỗng ...................................................... 90
Hình 4.5: Từ trái sang phải, cấu trúc vùng năng lượng của khối ZnO wurtzite và SW2,1.5W-2, DW-2, tức là cùng một kích thước rỗng nhưng độ dày hốc khác nhau.............. 91
Hình 4.6: Từ trái sang phải, cấu trúc vùng năng lượng của HW-2, HW-3, HW-4, HW-5,
tức là cùng độ dày vách nhưng kích thước hốc khác nhau………………………………..92
Hình 4.7: Mật độ trạng thái thành phần (PDOS) của HW-2 (trái) và HW-3 ( phải). ......... 93

Hình 4.8: Từ trái sang phải, các trạng thái phân tử lấp đầy cao nhất (HOMO) và trạng thái
phân tử không lấp đầy thấp nhất (LUMO) của cấu trúc HW-2 và sự khác biệt mật độ điện
tích của cấu trúc hồi phục HW-2. ........................................................................................ 93
Hình 4.9: (a) Năng lượng Helmholtz tự do của các cấu trúc với cùng kích thước hốc nhưng
độ dày vách khác nhau và (b) mật độ trạng thái phonon của một số đại diện. .................... 94
Hình 5.1: Ba cấu trúc nhỏ nhất đầu tiên của họ cấu trúc A, từ trái sang phải A-SW2, ASW3, A-SW4 (hàng trên) và các cấu trúc A-DW2, A-TW2, A-QD2 (hàng dưới) ......... 104

xii


Hình 5.2: Ba cấu trúc nhỏ nhất đầu tiên của họ cấu trúc B, từ trái sang phải lần lượt là BSW2, B-DW3-2 và B-TW2 ............................................................................................... 104
Hình 5.3: Ba cấu trúc nhỏ nhất đầu tiên thuộc họ cấu trúc C, từ trái sang phải lần lượt là CSW3, C-DW2 và C-TW3 .................................................................................................. 104
Hình 5.4: Sự phụ thuộc năng lượng liên kết riêng với thể tích tỷ đối .............................. 106
Hình 5.5: Năng lượng tự do F(T) tính cho các cấu trúc rỗng ZnO với hình dạng rỗng và độ
dày vách khác nhau............................................................................................................ 108
Hình 5.6: Hiện tượng các tia X nhiễu xạ trên các mặt tinh thể rắn .................................. 109
Hình 5.7: Mẫu XRD mô phỏng cho các cấu trúc rỗng ZnO đại diện cho các họ A, B, C,
lục giác của ZnO, và cấu trúc wurtzite (khối) của ZnO. ................................................... 110
Hình 5.8: Module khối của bốn họ cấu trúc nano xốp ZnO, tức là, A (hình thoi), B (hình
tam giác hướng lên ), C (hình tam giác hướng xuống) và họ cấu trúc rỗng lục giác (hình lục
giác). Độ dày của vách được chỉ định bởi các độ dày đường viền của các biểu tượng - biểu
tượng có đường viền mỏng nhất tương ứng với SW, cịn những biểu tượng có đường viền
dày nhất tương ứng với QW. ............................................................................................. 112
Hình 5.9: Độ rộng vùng cấm của ba họ cấu trúc ZnO rỗng, trong đó A (hình thoi), B (hình
tam giác hướng lên ) và C (hình tam giác hướng xuống). Độ dày của vách được chỉ định
bởi các độ dày của đường viền các hình - những biểu tượng có đường viền mỏng nhất
tương ứng với SW, cịn những biểu tượng có đường viền dày nhất tương ứng với QW.
Trong hình bên phải, kích thước rỗng của một họ cấu trúc tăng theo hướng đi xuống của độ
rộng vùng cấm. .................................................................................................................. 114

xiii


MỞ ĐẦU
Cùng với tính liên ngành và sự tích hợp mạnh mẽ với khoa học và công nghệ
(KH&CN) nano trong những năm gần đây, ngành khoa học tính tốn vật liệu đang tạo ra
một ảnh hưởng sâu rộng đến tất cả các lĩnh vực, KH&CN nano là lĩnh vực được dự đốn là
sẽ làm thay đổi mạnh mẽ tồn cảnh bức tranh đời sống xã hội loài người trong vài chục
năm tới. Bởi vậy nó đang được đẩy lên ưu tiên hàng đầu của các chương trình nghiên cứu
trọng điểm ở hầu hết các quốc gia và trường đại học. Hiện nay một trường đại học hay
phịng thí nghiệm bình thường cũng có thể sắm cho mình một máy chủ có cơng suất tính
tốn ngang với một siêu máy tính của chỉ mười năm trước. Rõ ràng là các thí nghiệm đắt
tiền trên cơ sở thực hành “thử-loại” - là chuẩn của các năm trước khi mà khả năng tiếp cận
máy tính cịn hạn chế nay đã trở nên lỗi thời.
Nhân tố thúc đẩy khoa học (KH) tính tốn vật liệu là KH&CN nano, với tâm điểm
là kích thước. Khi kích thước giảm tới mức nm (10-9m), hiệu ứng lượng tử xuất hiện làm
thay đổi đặc trưng của vật liệu như các tính chất quang, điện, từ và cơ mà khơng cần phải
thay đổi thành phần hố học. Tỷ số bề mặt/thể tích cũng đồng thời tăng mạnh, hiệu ứng bề
mặt xuất hiện là điều kiện lý tưởng cho linh kiện quang-điện tử nano, cho xúc tác, dự trữ
năng lượng, tăng hoạt tính thuốc chữa bệnh... [84, 136]. Vật liệu nano với kích thước và
mật độ bề mặt cao, rất gần và rất dễ tích hợp với các cấu trúc sinh học phân tử. Do hiệu
ứng kích thước lượng tử và hiệu ứng bề mặt mà vật liệu nano có tính chất khác hẳn với của
từng nguyên tử riêng biệt đồng thời cũng khác xa so với vật liệu khối. Bởi vậy, có thể đưa
thêm một chiều nữa cho bảng tuần hồn các ngun tố quy định tính chất vật liệu ngồi
ngun tử lượng và số điện tử hố trị - số lượng nguyên tử trong cấu trúc nano [35, 114].
Bên cạnh đó, địi hỏi ngày càng tăng cho độ phân giải của thiết bị đẩy các phương pháp
giảm kích cỡ truyền thống đến đối mặt với thách thức về vật lý cơ bản và giới hạn công
nghệ. Để tiếp tục thu nhỏ đến kích cỡ nguyên tử, cần phải có các ý tưởng đột phá về thiết
kế các cấu trúc vật liệu mới lạ, chẳng hạn cấu trúc đa lớp, nano xốp, cấu trúc lai vô cơ-hữu
cơ hay đưa thêm các bậc tự do mới như spin, valley .... Kết quả là các đặc tính của vật liệu

kích cỡ nano này được xác định, thiết kế không chỉ bởi các thành phần mà cịn bởi hình
học đặc thù của nó [138].
Mơ hình hóa và mơ phỏng lượng tử (ab-initio) là phương pháp lý thuyết sử dụng
các mơ hình dựa trên các nguyên lý ban đầu của cơ học lượng tử, cho phép tính tốn các
đặc tính của hệ ở cấp độ nguyên tử, bao gồm cả các hệ không đạt tới bằng thực nghiệm.
Qua đó ta khơng chỉ kiểm định, giải thích các thực nghiệm mà cịn dự đốn về những hệ
xiv


chưa có trên thực tế. Sẽ ngày càng trở nên phổ biến chuẩn thực hành là các thiết kế, quá
trình trên vật liệu và ngay cả linh kiện phải được xử lý “ảo” trên “máy tính” trước khi nó
được tiến hành trên thực tế. Xu thế “thí nghiệm ảo” này sẽ phát triển và lan tỏa mạnh, đặc
biệt là đi trước trong KH&CN nano nơi đòi hỏi nhiều thiết bị và quy trình phức tạp [106].
Trước đây các nhà KH phải sử dụng các quy trình tinh thể học tia X tốn thời gian
để xác định cấu trúc nguyên tử của một tinh thể và nhất là nó lại địi hỏi phải tạo ra trước
một tinh thể có chất lượng cao. Năm 2008 đã chứng kiến một bước đột phá, M. Neumann
[Nature 450, 771 (2007)] đã tiên đốn chính xác tất cả các cấu trúc có bốn phân tử hữu cơ
mà khơng cần có thêm thơng tin nào khác, mở ra một hướng dự đoán cấu trúc của hợp
chất và các thuộc tính vật liệu và đặc biệt là các ứng viên thuốc, với các cấu hình phân tử
khác nhau có thể được kiểm định trước khi chúng được thực hiện trên thực nghiệm. Biết
được cơng thức hóa học của phân tử rõ ràng là chưa đủ để dự đoán khả năng hòa tan, màu
sắc hoặc làm thế nào đưa được nó vào cơ thể mà phải biết cách các phân tử sắp xếp theo
một trật tự tinh thể nhất định (có khá nhiều cách như vậy ứng với các cấu hình, pha khác
nhau). Đây là một hướng nghiên cứu mô phỏng cấu trúc đang nổi lên và được phát triển
bùng nổ chỉ trong vài năm trở lại đây nhờ vào các tiến bộ vượt bậc về cơng suất tính toán
của các máy chủ và sự phát triển của các thuật tốn hiệu quả, có tên gọi chung là dự đoán
cấu trúc tinh thể - (crystall structure prediction) [3].
Một trong những đích hướng tới của KH&CN vật liệu hiện đại là tạo ra siêu vật
liệu (metamaterial) là một loại vật chất nhân tạo, mà tính chất của nó phụ thuộc vào cấu
trúc của vật liệu nhiều hơn là thành phần vật liệu cấu tạo nên chúng. Tên gọi này xuất phát

từ μετά - nguyên gốc từ Hy Lạp, có nghĩa "siêu", "vượt cấp", và nói chung thường được sử
dụng cho một vật liệu có tính chất khác thường, do Rodger M. Walser của Trường ĐH
Texas tại Austin đặt ra vào năm 1999. Ông này xác định siêu vật liệu như là một vật liệu
kết hợp nhân tạo với 1D, 2D hoặc 3D có cấu trúc tuần hồn và được thiết kế để tạo ra
những đặc tính vật lý khơng có sẵn trong tự nhiên. Về nguyên tắc siêu vật liệu được chế
tạo bằng cách sắp xếp các cấu trúc vi mô hay nano - gọi là các thành tố "nguyên tử", để có
thể tạo ra các tính chất vật lý vĩ mơ (trước đây chủ yếu là tính chất điện từ, gần đây có mở
rộng sang cơ và quang) theo ý muốn. Những tính chất này có thể đã tồn tại nhưng khó khai
thác và điều khiển, và thậm chí không tồn tại trong những vật liệu tự nhiên mà con người
từng biết. Các zeolite nhân tạo, các vật liệu khung kim loại hữu cơ (Metal organic
framework - MOF) và các fullerite - mạng tinh thể nhân tạo kích cỡ nano cấu tạo từ các
phân tử fullerence C60 là các thí dụ về các siêu vật liệu nano nhân tạo này.

xv


Lý do chọn đề tài của luận án: Vì những tính thời sự, tính liên ngành cao và khả
năng kết hợp giữa nghiên cứu cơ bản với tiềm năng ứng dụng trong KH&CN nano, cộng
với lợi thế của hướng nghiên cứu mới, cùng với điều kiện có thể tiếp cận và triển khai được
ở Việt nam mà khơng địi hỏi cơ sở vật chất tốn kém như đã trình bày ở trên mà chúng tôi
chọn đề tài của luận án là: “NGHIÊN CỨU MƠ HÌNH HĨA VÀ MƠ PHỎNG CẤU
TRÚC NANO XỐP ZnO”
Mục tiêu nghiên cứu: chúng tôi đặt mục tiêu nghiên cứu của luận án là nghiên cứu
lý thuyết dựa trên mơ hình hóa và mơ phỏng sử dụng đồng thời cả hai cách tiếp cận mô
phỏng chế tạo vật liệu nano là từ trên xuống và từ dưới lên để thiết kế, dự đốn lý thuyết
các đa hình nano xốp tinh thể mới từ các vật liệu bán dẫn ZnO và nghiên cứu các đặc trưng
vật lý mới lạ của chúng hướng tới các ứng dụng trong nano quang-spin điện tử và nano
sinh học.
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của luận án: do số lượng nguyên tử trong cấu
trúc có thể rất lớn, do hạn chế về cơng suất tính tốn và thời gian, các nghiên cứu của

chúng tôi trong luận án này chỉ giới hạn trong các cấu trúc nano bán dẫn được tích hợp
thành các mạng tuần hồn tinh thể - các pha đa hình nano xốp từ bán dẫn ZnO.
Phương pháp nghiên cứu chính của luận án là: Việc thiết kế, dự đoán lý thuyết
các cấu trúc mới lạ của chúng tôi dựa trên 2 cách tiếp cận: (1) từ trên xuống (top-down
design), xuất phát từ các cấu trúc khối gốc từng bước phân tách thành các nhóm cấu trúc
con. Các hệ con này được xử lý, tính tốn chi tiết nhất có thể ở nhiều cấp độ hệ thống phụ
trợ, bổ trợ, cho đến khi tồn bộ đặc tính được tối giản đến thành tố cơ bản nhất với mục
đích là làm sáng tỏ cơ chế nền tảng hoặc đủ chi tiết để thực tế xác nhận được mơ hình đề
xuất. (2) từ dưới lên (bottom-up design) là vẽ ra các hệ thống con trước, chẳng hạn các
cụm phân tử, các hạt nano hay các đơn lớp. Rồi từ đó nghiên cứu khả năng liên hợp chúng
lại ở nhiều cấp độ, cho đến khi một hệ thống phức tạp cấp cao, hoàn chỉnh được hình
thành. Trong đó các yếu tố cơ sở của hệ thống đầu tiên phải được quy định rất chi tiết.
Cách tiếp cận này giống như gieo một "hạt giống" mơ hình, từ một khởi đầu nhỏ nhất cuối
cùng phát triển lên thành hệ phức tạp và đầy đủ.
Về phương pháp tính tốn chúng tơi sử dụng kỹ thuật mơ phỏng động lực phân tử
(Molecular dynamics - MD) là kỹ thuật mơ phỏng máy tính trong đó các ngun tử hay
phân tử và lớn hơn nữa là các hạt, các tế bào được cho tương tác với nhau trong một
khoảng thời gian nhất định dựa trên các quy luật vật lý để đưa ra một bức tranh về động
lực học của các nguyên tử trong cấu trúc vật liệu. Kỹ thuật MD lại gồm hai nhánh: (i) mô
phỏng MD sử dụng các trường lực (các thế năng tương tác giữa các nguyên tử, phân tử
xvi


hay các hạt) được dẫn ra từ thực nghiệm hoặc một cách bán thực nghiệm và (ii) mô phỏng
MD từ các nguyên lý ban đầu (ab-initio MD) tức là chỉ sử dụng các quy luật của cơ lượng
tử để giải phương trình Schrodinger hay Dirac và dựa vào một số rất ít các gần đúng, như
gần đúng Born-Oppenheimer và lý thuyết phiếm hàm mật độ (Density Functional Theory DFT) kết hợp với các đặc trưng của hệ điện tử trong ngun tử. Qua đó tồn bộ các đặc
tính vật lý, hóa học như các liên kết hóa học hình thành các cấu hình của vật liệu, cấu trúc
vùng năng lượng, phổ quang học, phổ phonon, các đường phản ứng hóa học có thể được
tính tốn và mơ phỏng. Phương pháp mà chúng tơi sử dụng trong tồn bộ nội dung của

luận án này chính là nhánh thứ hai này có kết hợp thêm các gần đúng liên kết chặt dựa
hoàn tồn trên cơ sở lý thuyết DFT mà khơng sử dụng một tham số thực nghiệm nào.
Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài nghiên cứu của luận án là ở chỗ: luận
án nghiên cứu thiết kế, dự đoán các cấu trúc nano xốp mới từ vật liệu bán dẫn II-VI chủ
yếu là ZnO bằng phương pháp mô hình hóa và mơ phỏng trên máy tính. Về thực chất đó là
các “thí nghiệm ảo” được tiến hành nhằm dự đoán về các cấu trúc và các siêu vật liệu nano
nhân tạo với những đặc trưng hóa-lý mới lạ chưa có được trong thực tế hoặc khó khai thác,
khó điều chỉnh được, cùng với đó là rút ra các quy luật chung về đặc tính của cấu trúc vật
liệu làm cơ sở cho dẫn dắt việc chế tạo trong thực tế. Kiến thức trong các quá trình thiết
kế, dự đốn cấu trúc vật liệu bằng mơ hình hóa và mô phỏng này sẽ thúc đẩy mạnh mẽ các
hiểu biết nền tảng của KH&CN nano cũng như tăng cường cầu nối giữa các kỹ thuật thực
nghiệm và lý thuyết cơ bản.
Các kết quả mới đạt được của luận án là:
Đã đề xuất ba pha đa hình nano xốp tinh thể dạng lồng rỗng mới (là AST, SAT và
SBT) có tiềm năng ứng dụng cao từ vật liệu ZnO, bằng phương pháp dự đoán lý thuyết cấu
trúc tinh thể cách tiếp cận từ dưới lên, xuất phát từ các cụm nguyên tử "ma thuật" ZnkOk.
Qua so sánh, kiểm nghiệm trên với bảy pha đa hình đã được đề xuất trong thời gian gần
đây bởi Carrasco et al. [PRL 99, 235502], Demiroglu et.al [Nanoscale (2014),6, 11181],
Sponza et al [PRB (2015) 91, 075126], Zagorac et al. [RSC Adv.(2015), 5, 25929], phân
tích của chúng tơi cho thấy, ba pha đa hình mới được chúng tơi dự đốn này khác biệt hồn
tồn và sánh ngang độ bền vững với bảy cấu trúc tham chiếu đã đề xuất bởi các tác giả
nước ngoài trên [kết quả được chúng tôi công bố tại: J. of Phys. Conf. Ser. 726 (2016)
012022].
Đã dự doán lý thuyết được các họ cấu trúc tinh thể nano xốp dạng kênh rỗng
phương pháp tiếp cận từ trên xuống (tổng cộng 4 họ gồm 119 cấu trúc), chỉ ra được các
cấu trúc này có thể tồn tại mà không bị sụp đổ cấu trúc và chúng có khả năng điều chỉnh
xvii


đặc tính chẳng hạn như module khối hay độ rộng vùng cấm theo kích thước, bề dày vách,

hình học và dạng topo của kênh rỗng. Chúng tôi đã đưa được sự phụ thuộc khơng tuyến
tính của module khối - đại lượng phản ánh độ cứng của cấu trúc vào độ xốp, với xu thế
giảm nhanh rồi tiến tới bão hòa khi độ xốp giảm. Qua đó chúng tơi chỉ ra độ dày vách là ba
lớp ô lục giác sẽ là tối ưu cho việc tiếp cận gần đến đường chuẩn vàng về độ cứng-trên-tỷ
trọng của vật liệu [được chúng tôi công bố tại: J. of Appl. Phys. 120, 142105 (2016)].
Đã chỉ ra được mỗi dạng topo của nano xốp kênh rỗng này lại tuân theo một quy
luật biến đổi về độ cứng theo độ xốp. Chúng tơi gọi đó quy luật topo tổng quan và quy luật
này lại khác nhau với các dạng topo khác nhau. So sánh các dạng topo hình học của bốn họ
nano xốp kênh rỗng cho thấy với cùng độ xốp, kênh lục giác (hay dạng tổ ong) có độ cứng
lớn nhất, tiếp sau là tam giác (kênh B), thoi (kênh A) và tam giác (kênh C). Kết quả này
cũng cho phép dẫn dắt việc chế tạo các nano xốp trên thực nghiệm thông qua dự đốn, thiết
kế trước các đặc tính cấu trúc của nó bằng cách thay đổi các tham số cấu hình để có các
đặc tính được “may đo” cho các ứng dụng thực tế [được chúng tôi công bố tại: VNU J. of
Sci.: Math. – Phys, V.32, N. 3 (2016) 1-10 và Phys. B: Cond. Mat. (3/2017) DOI:
10.1016/j.physb.2017.03.003].
Kết cấu của luận án: Luận án được trình bày trong năm chương chính. Chương
một là phần chúng tôi giới thiệu tổng quan về các vật liệu và các cấu trúc quan tâm nghiên
cứu của luận án. Trong đó các khái niệm sơ lược về cấu trúc nano bán dẫn đưa ra các luận
giải cho việc tại sao các quy luật lượng tử chi phối các đặc tính vật lý của hệ thấp chiều
được đưa ra. Chúng tôi cũng đưa ra các cách phân loại vật liệu nano cũng như giới thiệu
tổng quan về chế tạo các vật liệu nano. Chương này cũng giới thiệu về vật liệu bán dẫn
khối nhóm II-VI là vật liệu nền cho việc tạo thành các cấu trúc và vật liệu nano bán dẫn sẽ
đề cập đến của luận án. Các đặc trưng vĩ mơ và vi mơ của nó, các phân loại và các cấu trúc
tinh thể chính wurtzite (WZ) và zincblende (ZB) sẽ được sử dụng ở các chương tiếp theo.
Giới thiệu sơ lược về các cấu trúc xốp được quan tâm chính của luận án - bao gồm phân
loại, công nghệ chế tạo và các ứng dụng tiềm năng của nó. Chương hai chúng tơi giới
thiệu tổng quan về các phương pháp tính tốn được sử dụng để nghiên cứu - đó là phương
pháp MD dựa trên lý thuyết DFT và tiếp sau đó là gần đúng liên kết chặt (tight binding TB) dựa trên cơ sở lý thuyết DFT. Chương ba là phần nội dung nghiên cứu thứ nhất, dự
đốn lý thuyết các pha đa hình nano xốp dạng lồng rỗng bằng phương pháp tiếp cận từ
dưới lên. Chúng tôi giới thiệu sơ lược nguyên tắc thiết kế, dự đoán từ dưới lên qua mười

trường hợp pha đa hình trong đó có ba pha mới mà chúng tơi dự đốn. Sau đó là tính tốn
các đặc tính cấu trúc để kiểm định độ bền vững cũng như so sánh phân lập các pha này với
xviii


nhau và với các pha đã được tìm thấy bởi các tác giả khác. Sau cùng là bảng tổng hợp các
tham số cấu trúc của chúng và kết luận. Chương bốn là phần nội dung nghiên cứu thứ hai,
trong đó chúng tơi nghiên cứu thiết kế, dự đốn họ các pha nano xốp kênh rỗng dạng lục
giác từ vật liệu ZnO. Chúng tôi giới thiệu tổng quan về các cách tiếp cận thiết kế/dự đoán
từ trên xuống và từ dưới lên. Sau đó chúng tơi áp dụng vào thiết kế các pha nano xốp kênh
rỗng dạng lục giác từ trên xuống. Chúng tôi đưa ra nguyên tắc phân loại và mơ tả các pha
nano xốp kênh rỗng. Các tính tốn trên các cấu trúc được thiết kế này, được thực hiện trên
cả hai phương pháp DFT (cho những cấu trúc nhỏ với mục địch kiểm nghiệm tính chính
xác của gần đúng TB) và lý thuyết phiếm hàm mật độ kết hợp gần đúng liên kết chặt
(Density Functional based Tight Binding – DFTB). Các tính chất vật lý, bảng các tham số
đặc trưng cho các cấu trúc cũng được đưa ra. Tiếp sau là biện luận của chúng tôi về sự phụ
thuộc phi tuyến của module khối vào độ xốp của cấu trúc và các kết luận rút ra từ đây.
Chương năm là phần nội dung nghiên cứu thứ ba, trong đó chúng tơi mở rộng nghiên cứu
sang ba họ pha đa hình nano xốp với các hình học và topo khác nhau của kênh rỗng cũng
bằng phương pháp tiếp cận từ trên xuống. Chúng tôi so sánh, đánh giá độ bền vững của
bốn họ pha đa hình phụ thuộc vào các kích thước kênh rỗng, bề dày vách xốp cũng như
hình học đặc thù của kênh rỗng. Các tính chất vật lý, bảng tham số đặc trưng, các tương
đồng và khác biệt giữa chúng. Tiếp đó là các biện luận của chúng tôi về các quy luật topo
tổng quan đặc trưng cho mỗi họ cấu trúc hình học mà chúng tôi thiết kế và nghiên cứu.Sau
cùng là các kết luận và kiến nghị chung, cũng như danh sách các công bố và danh sách
trích dẫn của luận án.

xix

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU VÀ CÁC CẤU
TRÚC NANO BÁN DẪN THẤP CHIỀU
Trong vòng chỉ một hai thập kỷ gần đây, các tiến bộ trong lĩnh vực KH&CN nano
đã thúc đẩy mạnh mẽ các hiểu biết nền tảng của khoa học vật liệu (KHVL) cũng như tăng
cường cầu nối giữa lý thuyết cơ bản và các quan sát thực nghiệm. Cùng với lý thuyết và
thực nghiệm, KH tính toán (computational science) đang trở thành ‘trụ cột thứ ba’ (pillar)
của khoa học, cho phép các nhà nghiên cứu xây dựng và thử nghiệm mơ hình của các hiện
tượng phức tạp, đặc biệt là trong lĩnh vực tính tốn KHVL (Computational Materials
Science - CMS). Gần đây, CMS đã nổi lên như một nhánh liên ngành của KH&CN mà sự
quan trọng và tính xác đáng của nó đến từ sự khao khát để hiểu biết vi mô về các hiện
tượng và vật liệu ở kích cỡ nano. Năng lực dự đốn của các kỹ thuật CMS trên máy tính
khơng những giảm bớt đáng kể các nhiệm vụ của các thí nghiệm đắt tiền mà còn mở ra một
chân trời mới cho các khả năng “dự đoán các vật liệu mới”. Sẽ khơng cịn xa cái ngày mà
các vật liệu với các đặc tính “có chủ định’’ được thiết kế trên máy tính trước khi tiến hành
trên các thí nghiệm thực [106].
Vật liệu nano là một trong những hướng nghiên cứu được quan tâm đặc biệt của
hầu hết các quốc gia và các trường đại học hàng đầu trên thế giới, trong đó có Việt Nam.
Chỉ trong hơn một thập kỷ gần đây, các cấu trúc nano bán dẫn, chẳng hạn hạt nano, ống
nano, dây nano, dải nano, nano xốp, nano-composite… đã và đang thu hút được rất nhiều
quan tâm do tính xác đáng và tầm quan trọng của nó trong cả nghiên cứu cơ bản lẫn các
tiềm năng ứng dụng CN. Chúng không chỉ là các hệ lý tưởng để nghiên cứu các hiệu ứng
giam hãm lượng tử dẫn đến các đặc tính cơ, điện tử và quang phụ thuộc vào kích thước mà
cịn bộc lộ một loạt các chức năng thiết bị sẵn sàng trở thành các thành tố cơ bản cho nano
điện tử và nano quang-spin tử (photonics, spintronics) tương lai. Chúng vừa có thể làm
chức năng thiết bị vừa có thể làm chức năng dây kết nối, có thể được kết hợp thành
transistor hiệu ứng trường (FET), các đảo mạch, bộ phận cảm quang, cảm biến nano, diode
phát quang và laser cũng như trong các cấu trúc mới có tiềm năng ứng dụng trong năng
lượng bền vững như lưu trữ hydro và tế bào quang điện [3].
Trong luận án này chúng tôi tập trung nghiên cứu, mô phỏng tính tốn các cấu trúc
và vật liệu nano bán dẫn dạng tích hợp trong các cấu trúc ba chiều - các pha tinh thể nano

xốp, nano composite. Các vật liệu quan tâm của luận án là các vật liệu thuộc nhóm bán dẫn
1


II-VI như ZnO, ZnS, ZnSe, CdSe, CdTe …. Trong chương này, chúng tơi sẽ tóm lược các
kiến thức tổng quan về các vật liệu và cấu trúc nano nghiên cứu của luận án.

1.1.Tổng quan về vật liệu và cấu trúc nano bán dẫn thấp chiều
1.1.1. Định nghĩa vật liệu nano
Vật liệu nano là vật liệu trong đó ít nhất một chiều của các thành tố cơ bản tạo nên
nó có kích thước ở cỡ nanomet, tức là từ 1-1000nm nhưng thường là chỉ trong khoảng từ 1100nm (1nm=10-9m). Đây là đối tượng nghiên cứu của KH nano và CN nano, nó liên kết
hai lĩnh vực với nhau. KH&CN nano [123] dựa trên ba cơ sở là:
(1) Sự chuyển tiếp từ đặc tính cổ điển sang đặc tính lượng tử. Vật liệu vĩ mô gồm
rất nhiều nguyên tử (cỡ 1012 nguyên tử/µm3) nên các hiệu ứng lượng tử ở kích cỡ nguyên
tử được lấy trung bình theo rất nhiều nguyên tử và do vậy trong phần lớn các trường hợp
không thể hiện được ra bên ngoài (tức là ở cấp độ vĩ mơ) và do vậy có thể bỏ qua các thăng
giáng và gián đoạn lượng tử. Trong khi đó, cấu trúc nano có ít ngun tử hơn rất nhiều (từ
một vài đến vài chục ngàn) nên các đặc tính lượng tử bộc lộ rất rõ. TD: chấm lượng tử là
một “đảo” vật chất có kích thuớc nhỏ tới mức việc thêm vào hay lấy đi một điện tử sẽ làm
thay đổi tính chất của nó, do vậy người ta thường coi chấm lượng tử như một “nguyên tử
nhân tạo” - có các mức năng lượng gián đoạn giống như một ngun tử thực. Kích thước
của nó càng giảm thì năng lượng và cuờng độ phát sáng càng tăng. Hiện nay chấm lượng
tử đang là nền tảng cho hàng loạt những ứng dụng quang kỹ thuật mới.
(2) Hiệu ứng bề mặt. Vật liệu nano có số nguyên tử nằm trên bề mặt chiếm tỉ phần
đáng kể so với tổng số nguyên tử. Chính vì vậy các hiệu ứng liên quan đến bề mặt xuất
hiện do sự thiếu hụt hay khác biệt của các nguyên tử vật liệu ở bên kia lớp bề mặt – gọi tắt
là các hiệu ứng bề mặt trở nên quan trọng làm thay đổi hoặc chi phối các tính chất của vật
liệu dẫn đến các khác biệt đáng kể so với vật liệu khối.
(3) Kích cỡ tới hạn. Mọi tính chất của vật liệu đều có một giới hạn về kích thước gọi là kích thước tới hạn, nhỏ hơn kích thước này thì tính chất của nó hồn tồn thay đổi
(TD: trong vật liệu nano các điện tử khơng chỉ di chuyển như một dịng của các hạt, mà thể

hiện rất mạnh các đặc tính sóng – giao thoa, nhiễu xạ, xuyên hầm). Các tính chất điện, từ,
cơ, hóa khác đều có độ dài tới hạn cỡ nm (TD: bước sóng de Broglie của hạt điện tử, độ dài
xuyên hầm, bề dày vách đô men, quãng đường tán xạ spin, độ dài kết cặp Cooper, độ nhám
bề mặt, quãng đường nhận biết phân tử - trong sinh học). Do vậy bằng cách điều chỉnh
kích thước, các cấu trúc vật liệu nano có thể trở nên khác hẳn cấu trúc khối với cùng loại

2


vật liệu. Điều này mở ra một con đường mới cho sự sáng tạo những thế hệ vật liệu và linh
kiện với những tính chất mong muốn, khơng chỉ bằng cách thay đổi thành phần hóa học
của các cấu tử, mà cịn bởi sự điều chỉnh kích thước và hình dạng của cấu trúc.

Hình 1.1: Sự tiến hóa về độ rộng vùng cấm phụ thuộc vào bề dày vách xốp cũng như là kích thước
hốc rỗng trong một cấu trúc nano xốp 3D, cho thấy một sự tương tự như hiệu ứng đặc tính phụ
thuộc vào kích thước trong các cấu trúc nano bán dẫn thấp chiều truyền thống [83].

1.1.2. Phân loại vật liệu nano
Vật liệu nano được tập trung nghiên cứu hiện nay, chủ yếu là vật liệu rắn. Về cấu
trúc vật liệu, người ta phân ra thành các loại sau:

Hình 1.2: Cấu trúc nano có giam hãm theo1 chiều (màng nano), 2 chiều (dây nano)
và 3 chiều (hạt nano) [76]

Vật liệu nano chuẩn không chiều (0D) là vật liệu có cả ba chiều đều ở kích cỡ nano,
khơng còn chiều tự do nào cho điện tử, TD: cụm nano, hạt nano.
Vật liệu nano chuẩn một chiều (1D) là vật liệu trong đó hai chiều ở kích cỡ nano,
điện tử được tự do trên một chiều (hai chiều cầm tù), TD: dây nano, ống nano.

3

Vật liệu nano hai chiều (2D) là vật liệu trong đó một chiều có kích thước nano, hai
chiều tự do, TD: màng mỏng nano.
Ngồi ra, cịn có vật liệu 3D có cấu trúc nano hay nanocomposite trong đó chỉ có
các thành tố cơ bản của nó có kích thước nm, hoặc cấu trúc của nó có nano khơng chiều,
một chiều, hai chiều đan xen lẫn nhau.
Mỗi chiều bị giam hãm có thể coi như một hố thế chiều sâu vơ hạn, vì vậy theo
hướng giam hãm này năng lượng bị lượng tử hóa. Nghĩa là năng lượng trong các cấu trúc
nano (hệ thấp chiều) theo các chiều bị giam hãm sẽ bị lượng tử hóa (hình 1.3).

Hình 1.3: Mật độ trạng thái năng lượng của cấu trúc khối (3D) và cấu trúc thấp chiều có giam
hãm theo 1 chiều (2D), 2 chiều (1D), 3 chiều (0D) [12].

Hệ chuẩn 2 chiều bị lượng tử hóa theo 1 chiều (đặc trưng bởi một số lượng tử n), 2
chiều còn lại liên tục :
E

2D
n

 2   n  1 



2 m *  Lx 

2

Hệ chuẩn 1 chiều bị lượng tử hóa theo 2 chiều (đặc trưng bởi một số lượng tử n, m),

chiều còn lại liên tục:
En1,Dm 

2
2 m*

  n  1 2  m  12 



2
L2y 
 Lx

Hệ chuẩn khơng chiều bị lượng tử hóa theo cả 3 chiều (đặc trưng bởi một số lượng
tử n,m,l):

4