Nghiên cứu tính chất điện tử của graphene biến dạng với các liên kết đan xen (tt)

ĐẠI HỌC HUẾ
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM
···♦···

TRẦN THỊ HOÀI THƯƠNG

NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT ĐIỆN TỬ CỦA
GRAPHENE BIẾN DẠNG VỚI CÁC LIÊN KẾT
ĐAN XEN

Chuyên ngành: Vật lý lý thuyết và vật lý toán
Mã số: 60 44 01 03
Demo Version - Select.Pdf SDK

LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
PGS.TS. NGUYỄN NGỌC HIẾU

Thừa Thiên Huế - năm 2017
i


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi,
các số liệu và kết quả nghiên cứu nêu trong luận văn là trung thực, được
các đồng tác giả cho phép sử dụng và chưa từng được công bố trong bất
kỳ một công trình nghiên cứu nào khác.
Tác giả
Trần Thị Hoài Thương

Demo Version - Select.Pdf SDK

ii


LỜI CẢM ƠN

Để hoàn thành luận văn tốt nghiệp này, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn
sâu sắc đến thầy giáo PGS. TS. Nguyễn Ngọc Hiếu đã tận tình hướng dẫn
và giúp đỡ tôi trong suốt quá trình thực hiện đề tài.
Qua đây, tôi cũng xin gửi lời cám ơn chân thành đến Ban giám hiệu,
Phòng Đào tạo Sau đại học, quý thầy cô giáo Khoa Vật lý trường Đại học
Sư phạm, Đại học Huế và quý thầy cô giáo trực tiếp giảng dạy đã giúp đỡ
tôi trong suốt quá trình học tập.
Cuối cùng, tôi xin cám ơn gia đình, bạn bè và các bạn học viên Cao
học khóa 24 đã động viên, góp ý, giúp đỡ, tạo điều kiện cho tôi trong thời
gian qua để tôi hoàn thành luận văn này.
Demo Version - Select.Pdf SDK
Huế, tháng 9 năm 2017
Tác giả
Trần Thị Hoài Thương

iii


MỤC LỤC
Trang phụ bìa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

i

Lời cam đoan . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

ii

Lời cảm ơn . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

iii

Danh sách hình vẽ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2

MỞ ĐẦU . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3

Chương 1: Các vấn đề tổng quan . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

6

Chương 2: Mô hình và phương pháp nghiên cứu. . . . . . . . . .

11

2.1. Cấu trúc nguyên tử của graphene với các liên kết đan xen . . .

11

2.2. Mô tả biến dạng của graphene bằng lý thuyết biến dạng đồng nhất
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

2.3. Áp dụng mô hình điện tử liên kết mạnh để khảo sát tính chất điện
tử của graphene . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
Chương 3: Tính chất điện tử của graphene biến dạng . . . .
3.1. Tính toán cấu trúc vùng năng lượng của graphene với các liên
C–C đan xen (bond alternation) kiểu quinoid . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Demo Version - Select.Pdf SDK
3.2. Ảnh hưởng của biến dạng lên tính chất điện tử của graphene
các liên kết C–C đan xen có chiều dài khác nhau . . . . . . . . . . . . . . . . .

25
kết
25
với
29

KẾT LUẬN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

36

TÀI LIỆU THAM KHẢO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

38

1


DANH SÁCH HÌNH VẼ

1.1
1.2

Mô hình graphene với mạng lục giác trong không gian . . . . . 7
Cấu trúc vùng năng lượng của graphene . . . . . . . . . . . . 7

2.1

Cấu trúc của graphene với các liên kết đan xen có độ dài
liên kết C–C khác nhau là a và b . . . . . . . . . . . . . . . . 11
Lực căng T đặt vào mạng graphene . . . . . . . . . . . . . . . 13

2.2
3.1
3.2

3.3
3.4
3.5
3.6
3.7

Sự xuất hiện vùng cấm của graphene biến dạng . . . . . .
Đồ thị đường đồng mức biểu diễn cho E(kx , ky ) chiếu lên
mặt phẳng (kx , ky ) trong các trường hợp: (a) Khi chưa có
biến dạng, (b) θ = 0, ε = 5%, δ = 0, 02 , (c) θ = π4 , ε =
10%, δ = 0, 02. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Mặt cắt của cấu trúc năng lượng dọc theo ky = 0 . . . . .
Sự phụ thuộc năng lượng vùng cấm của graphene với các
liên kết đan xen vào độ biến dạng ε . . . . . . . . . . . . .
Sự phụ thuộc năng lượng vùng cấm của graphene với các
Version

liênDemo
kết đan
xen vào- Select.Pdf
góc lệch θ. SDK
. . . . . . . . . . . . . . .
Sự phụ thuộc năng lượng vùng cấm của graphene vào sự
sai khác độ dài liên kết δ . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Sự phụ thuộc kF của graphene liên kết đan xen vào độ biến
dạng. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2

. . 30

. . 31
. . 31
. . 32
. . 33
. . 34
. . 35


MỞ ĐẦU
1. Lí do chọn đề tài
Sự phát triển mạnh mẽ của nhiều lĩnh vực khoa học và kỹ thuật công
nghệ đã làm cho đời sống xã hội toàn cầu có nhiều diện mạo mới. Hiện nay
trên thế giới đang hình thành một khoa học và công nghệ mới, có nhiều
triển vọng và dự đoán sẽ có tác động mạnh mẽ đến tất cả các lĩnh vực
khoa học, kỹ thuật cũng như đời sống kinh tế - xã hội của thế kỷ XXI. Đó
là khoa học và công nghệ nano. Khoa học nano là ngành khoa học nghiên

cứu về các hiện tượng và sự can thiệp vào vật liệu tại các quy mô nguyên
tử, phân tử và đại phân tử. Tại các quy mô đó, tính chất của vật liệu khác
hẳn với tính chất của chúng tại các quy mô lớn hơn. Công nghệ nano là
việc thiết kế, phân tích đặc trưng, chế tạo và ứng dụng các cấu trúc, thiết
bị, và hệ thống bằng việc điều khiển hình dáng và kích thước trên quy mô
nanomet. Vật liệu nano là đối tượng của hai lĩnh vực là khoa học nano
và công nghệ nano, nó liên kết hai lĩnh vực trên với nhau. Kích thước
của vật liệu Demo
nano trải
một khoảng
khá rộng,
Version
- Select.Pdf
SDKtừ vài nm đến vài trăm nm.
Công nghệ nano nói chung và vật liệu carbon có cấu trúc nano nói riêng
đã và đang có rất nhiều ứng dụng trong thực tiễn góp phần phục vụ đời
sống con người. Trong lĩnh vực công nghệ nano chúng ta đã tìm ra được
thêm một loại vật liệu mới có tiềm năng ứng dụng cao, đó là graphene.
Graphene là một loại vật liệu có cấu trúc gồm các nguyên tử carbon sắp
xếp trong mặt phẳng hai chiều, đơn lớp nguyên tử và có cấu trúc lục giác
giống với hình tổ ong do sự lai hóa sp2 [1].Mỗi nguyên tử carbon hình
thành ba liên kết σ với các nguyên tử carbon lân cận gần nhất tử ba điện
tử hóa trị. Các liên kết cộng hóa trị C–C gần giống với các liên kết trong
kim cương làm cho graphene có những tính chất cơ, nhiệt, điện, quang
. . . rất đặc biệt. Ngay từ những năm 1946, P.R. Wallace đã đưa ra cấu trúc
vùng năng lượng của graphene trong lý thuyết, và đã nêu lên những đặc
tính dị thường của loại vật liệu này [2]. Tuy nhiên vào thời điểm đó các
nhà khoa học không tin rằng có thể tồn tại một tấm graphene hai chiều
chỉ có bề dày một nguyên tử. Đến năm 2004, hai nhà vật lý A.K Geim
3

và K.S Novoselov thuộc trường đại học Machester ở Anh đã tạo ra được
graphene bằng thực nghiệm với tấm băng keo văn phòng [1] và thành công
với công trình nghiên cứu về vật liệu graphene và các tính chất nổi bật
của chúng, kể từ đó dạng vật liệu này đã và đang thu hút được sự quan
tâm nghiên cứu của nhiều nhà khoa học kể cả lý thuyết, thực nghiệm lẫn
ứng dụng trên thế giới. Do tính linh động điện tử cao [3] và dẫn nhiệt
tốt [4] graphene được công nhận là một trong những vật liệu quan trọng
để tạo ra các thiết bị điện tử thế hệ tiếp theo và sẽ tạo bước đột phá lớn
trong nhiều lĩnh vực của khoa học. Graphene là chất liệu bền nhất từng
đo được [5]. Biến dạng nhỏ có thể dễ dàng tác động lên graphene trong
phòng thí nghiệm. Biến dạng có thể ảnh hưởng quan trọng tới tính chất
điện tử của vật liệu. Sự thay đổi tính chất điện tử dưới ảnh hưởng của
biến dạng có thể đem lại nhiều tính chất mới có thể áp dụng được trong
các thiết bị nano [6]. Ở Việt Nam, do điều kiện tiến hành nghiên cứu thực
nghiệm về graphene còn hạn chế nên lựa chọn phương pháp nghiên cứu
lý thuyết là cần thiết, phù hợp với chuyên ngành đào tạo và tình hình cơ
sở vật chất hiện có của cơ sở đào tạo. Vì những lí do trên tôi quyết định
chọn đề tài "Nghiên cứu tính chất điện tử của graphene biến dạng với các
Demo Version - Select.Pdf SDK
liên kết đan xen" làm đề tài nghiên cứu cho luận văn của mình.
2. Mục đích đề tài
Khảo sát tính chất điện tử của graphene biến dạng với các liên kết
đan xen bằng cách kết hợp lý thuyết biến dạng đồng nhất và mô hình
điện tử liên kết mạnh.
3. Đối tượng nghiên cứu
Đề tài tập trung nghiên cứu tính chất điện tử của graphene biến dạng
với các liên kết đan xen.
4. Phạm vi nghiên cứu

Chỉ nghiên cứu graphene khi có mặt của biến dạng nhỏ (nhỏ hơn
10%).

4


5. Phương pháp nghiên cứu
Trong khuôn khổ luận văn này, chúng tôi sử dụng phương pháp kết
hợp lý thuyết biến dạng đồng nhất và mô hình điện tử liên kết mạnh.
6. Bố cục luận văn
Luận văn gồm có 3 phần chính.
- Phần mở đầu: Trình bày lí do chọn đề tài, mục đích của đề tài, đối
tượng nghiên cứu, phạm vi nghiên cứu, phương pháp nghiên cứu.
- Phần nội dung: Bao gồm 3 chương:
Chương 1: Các vấn đề tổng quan.
Chương 2: Mô hình và phương pháp nghiên cứu
Chương 3: Tính chất điện tử của graphene biến dạng
- Phần kết luận: Trình bày các kết quả đạt được của luận văn và đề
xuất hướng phát triển nghiên cứu.

Demo Version - Select.Pdf SDK

5