Luận án tiến sĩ nghiên cứu mô hình hóa và mô phỏng cấu trúc nano xốp zno (tt)

Vì những tính thời sự, tính liên ngành cao, khả năng kết hợp giữa nghiên cứu cơ bản với tiềm năng ứng dụng trong KH và CN nano, cộng với lợi thế của hướng nghiên cứu mới, cùng với điều k

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

NGUYỄN THỊ THẢO

NGHIÊN CỨU MÔ HÌNH HÓA VÀ MÔ PHỎNG

CẤU TRÚC NANO XỐP ZnO

Chuyên ngành : Vật lý lý thuyết và vật lý toán

Mã số : 62440103

TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ

HÀ NỘI - 2017

Công trình được hoàn thành tại:

Trường Đại học Bách khoa Hà Nội

Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Vũ Ngọc Tước

Phản biện 1: ………

Phản biện 2: ………

Phản biện 3: ………

Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án tiến sĩ cấp Trường họp tại Trường Đại học Bách khoa Hà Nội

Vào hồi…….giờ… ngày … tháng ….năm ……

Có thể tìm hiểu luận án tại thư viện:

1 Thư viện Tạ Quang Bửu – Trường ĐHBK Hà Nội

2 Thư viện Quốc Gia Việt nam

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ

CỦA LUẬN ÁN

1 Vu Ngoc Tuoc, Tran Doan Huan, Nguyen Viet Minh,

Nguyen Thi Thao (2016) Density functional theory based tight binding study on theoretical prediction of low- density nanoporous phases ZnO semiconductor materials

Journal of Physics: Conference Series 726 012022,

doi:10.1088/1742-6596/726/1/012022

2 Vu Ngoc Tuoc, Tran Doan Huan, Nguyen Thi Thao, and

Le Manh Tuan (2016) Theoretical prediction of density hexagonal ZnO hollow structures Journal of

low-Applied Physics 120, 142105 ; doi: 10.1063/1.4961716

3 Nguyen Thi Thao and Vu Ngoc Tuoc (2016) Theoretical Prediction of ZnO Nanoporous Allotropes with Triangular Hollow VNU Journal of Science: Mathematics – Physics,

Vol 32, No 3 1-10

4 Vu Ngoc Tuoc, Tran Doan Huan, Nguyen Thi Thao

(2017) Computational predictions of zinc oxide hollow structures Physica B: Physics of Condensed Matter xxx

xxx-xxx, Received 15 December 2016; Received in revised form 23 December 2016; Accepted 1 March 2017, View online 8 March 2017: http://dx.doi.org/ 10.1016/j.physb.2017.03.003

MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Nhân tố thúc đẩy KH tính toán vật liệu (VL) 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 VL như các tính chất quang, điện, từ, cơ mà không cần phải thay đổi thành phần hoá học Bởi vậy, có thể đưa thêm một chiều nữa cho bảng tuần hoàn các nguyên tố quy định tính

chất VL ngoài nguyên tử lượng và số điện tử hoá trị - số lượng nguyên tử trong cấu trúc Bên cạnh đó, đòi 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/VL mới lạ, chẳng hạn cấu trúc đa lớp, xốp, lai-hữu cơ hay đưa thêm các bậc tự do mới như spin, valley Kết quả là các đặc tính của VL kích cỡ nano được xác định/thiết kế không chỉ bởi

các thành phần/số lượng mà còn bởi hình học đặc thù của nó

Mô hình hóa và mô phỏng lượng tử (ab-initio) là phương pháp lý thuyết sử dụng các mô hình dựa trên các nguyên lý ban đầu của cơ học lượng tử, cho phép tính toán các đặc tính của hệ

ở cấp độ nguyên tử, bao gồm cả các hệ không đạt tới bằng thực nghiệm Qua đó ta không chỉ kiểm định, giải thích các thực nghiệm mà còn dự đoán về những hệ chưa có trên thực tế Biết được công 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 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 trong vài năm trở lại đây 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

2

nhân tạo, mà tính chất của nó phụ thuộc vào cấu trúc của VL

nhiều hơn là thành phần VL cấu tạo nên chúng Tên gọi này xuất phát từ μετά - gốc từ Hy Lạp, có nghĩa "siêu", "vượt cấp",

và thường được sử dụng cho một VL có tính chất khác thường

có cấu trúc tuần hoàn và được thiết kế để tạo ra những đặc tính vật lý không có sẵn trong tự nhiên Những tính chất này có thể

đã tồn tại nhưng khó khai thác và điều khiển, và thậm chí không tồn tại trong những VL tự nhiên đã từng biết Các zeolite nhân tạo, vật liệu khung kim loại hữu cơ (MOF) và các fullerite – mạng tinh thể nhân tạo cấu tạo từ các phân tử fullerence C60 là các thí dụ về siêu vật liệu nano nhân tạo

Vì những tính thời sự, tính liên ngành cao, khả năng kết hợp giữa nghiên cứu cơ bản với tiềm năng ứng dụng trong KH

và 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

chúng tôi chọn đề tài của luận án là: “Nghiên cứu mô hình hóa

và mô phỏng cấu trúc nano xốp ZnO”

Mục tiêu nghiên cứu: là nghiên cứu dựa trên mô hình hóa

và mô phỏng sử dụng đồng thời cả hai cách tiếp cận mô phỏng

từ cách chế tạo vật liệu nano là từ trên xuống và từ dưới lên để

thiết kế/dự đoán lý thuyết các đa hình nano xốp tinh thể mới từ vật liệu bán dẫn nhóm ZnO và nghiên cứu các đặc trưng vật lý mới lạ của chúng hướng tới các ứng dụng trong nano năng lượng, nano quang/spin điện tử và nano sinh học

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu: do số lượng nguyên tử

trong cấu trúc có thể rất lớn, do hạn chế về công suất tính toán

và thời gian nghiên cứu 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 hoàn tinh thể – các pha đa hình

nano xốp từ bán dẫn nhóm 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/thành phần Các hệ con này được xử lý/tính toán chi tiết nhất có thể, ở nhiều cấp độ hệ thống phụ/bổ trợ, cho đến khi toàn 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 mô hình đề xuất (2) từ dưới lên

(bottom-up design) là vẽ ra các hệ thống con trước, chẳng hạn các cụm phân tử, hạt nano hay 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 được hình thành Cách tiếp cận này

giống như gieo một "hạt giống" mô hình, từ một khởi đầu nhỏ

nhất cuối cùng phát triển lên thành hệ phức tạp và đầy đủ

Về phương pháp tính toán chúng tôi sử dụng kỹ thuật mô phỏng động lực phân tử (MD) là kỹ thuật mô phỏng máy tính trong đó các nguyên hay phân tử hay 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 cấu trúc VL Chúng tôi sử dụng nhánh mô phỏng MD từ các nguyên lý ban đầu (ab-initio) tức

là chỉ sử dụng các quy luật của cơ lượng tử để giải phương trình Schrodinger hay Dirac và chỉ dựa vào một số rất ít các gần đúng và lý thuyết phiếm hàm mật độ (DFT) kết hợp với các đặc trưng của hệ điện tử trong nguyên tử Qua đó toàn bộ các đặc tính vật lý, hóa học như các liên kết hóa học hình thành các cấu hình của VL, cấu trúc vùng năng lượng, phổ quang học, phổ phonon, các đường phản ứng hóa học có thể được tính toán và mô phỏng Do số nguyên tử trong cấu trúc cơ bản vẫn

còn rất lớn chúng tôi sử dụng kết hợp thêm các gần đúng liên kết chặt dựa hoàn toàn trên cơ sở lý thuyết DFT – gọi là DFTB

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài luận án: luận

án nghiên cứu thiết kế/dự đoán các cấu trúc nano xốp mới từ vật liệu bán dẫn II-VI (ZnO) bằng mô hình hóa và mô 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 VL nano nhân

tạo với những đặc trưng hóa-lý mới lạ chưa có được trong thực

4

tế hoặc khó khai thác hay 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

trong các quá trình thiết kế/dự đoán cấu trúc VL bằng mô hình

hóa và mô phỏng này sẽ thúc đẩy mạnh mẽ các hiểu biết nền tảng của KH và 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

VL ZnO, bằng dự đoán lý thuyết cấu trúc tinh thể cách tiếp cận

từ dưới lên (bottom up), xuất phát từ các cụm nguyên tử "ma

thuật" ZnkOk Chúng khác biệt hoàn toàn và sánh ngang độ

bền vững với bẩy cấu trúc tham chiếu đã đề xuất bởi các tác giả nước ngoài

 Đã chỉ ra được các họ cấu trúc tinh thể nano xốp dạng kênh rỗng được thiết kế/dự đoán bằng cách tiếp cận từ trên

xuống (tổng cộng 4 họ/119 cấu trúc) có thể tồn tại mà không

làm sụp đổ cấu trúc và có khả năng điều chỉnh đặc tính vật lý

chẳng hạn như module khối hay độ rộng vùng cấm theo kích thước, bề dày vách, hình học và dạng topo của kênh rỗng Đưa

ra được sự phụ thuộc không tuyến tính của mô đun 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 Chỉ ra độ dày vách ba lớp ô lục giác là tối ưu cho việc tiếp cận gần đến chuẩn vàng về độ cứng-trên-tỷ trọng của VL

 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 tôi gọi đó quy luật topo tổng quan và quy luật này lại khác nhau với các dạng topo khác nhau và với cùng độ xốp thì kênh lục giác là có độ cứng lớn nhất, tiếp sau là tam giác (B), thoi (A) và tam giác (C)

Kết cấu của luận án: Luận án được trình bày trong năm

chương chính Chương một là phần giới thiệu tổng quan về cấu

trúc nano bán dẫn trong đó 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 về VL bán dẫn khối nhóm II-

VI là VL nền cho việc tạo thành các cấu trúc và VL nano bán dẫn sẽ đề cập đến của luận án 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 giới thiệu tổng quan về các phương pháp tính toán được sử

dụng - đó là phương pháp mô phỏng động lực học phân tử dựa trên lý thuyết phiếm hàm mật độ (Density Functional Theory – DFT) và tiếp sau đó là gần đúng liên kết chặt (TB) dựa trên cơ

sở lý thuyết phiếm hàm mật độ Chương ba là dự đoán 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 10 trường hợp pha đa hình trong đó có ba pha mới mà chúng tôi dự đoán Sau đó là các tính toán các đặc tính cấu trúc để kiểm định độ bền vững cũng như so sánh phân lập các pha này với nhau và với các pha đã

được tìm thấy bởi các tác giả khác Chương bốn là thiết kế/dự

đoán họ các pha nano xốp dạng kênh rỗng 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 áp dụng vào thiết kế các pha nano xốp dạng kênh rỗng lục giác từ trên xuống Chúng tôi đưa ra nguyên tắc cách phân loại và mô tả các pha nano xốp kênh rỗng Các tính toán trên các cấu trúc được thiết

kế này được thực hiên bằng cả hai phương pháp DFT và DFTB Tiếp sau là biện luận của chúng tôi về sự phụ thuộc phi tuyến của module khối - đại lượng đặc trưng cho độ cứng vào

độ xốp của cấu trúc và các kêt luận rút ra từ đây Chương năm

là mở rộng nghiên cứu sang ba họ pha đa hình nano xốp kênh rỗng với topo hình học của kênh rỗng khác nhau Chúng tôi so sánh đánh giá độ bền vững của cả bốn họ pha phụ thuộc vào cấu hình lênh rỗng (kích thước, bề dày vách cũng như hình học

6

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 được chúng tôi thiết kế Sau cùng là các kêt luận và kiến nghị chung, cũng như danh sách các công bố và danh sách trích dẫn của luận án

Chương 1: Tổng quan về các vật liệu và các cấu trúc nano

bán dẫn thấp chiều 1.1 Tổng quan về vật liệu và cấu trúc nano thấp chiều

KH & CN Nano dựa trên ba cơ sở [123]: (1) Sự chuyển tiếp

từ các đặc tính cổ điển sang lượng tử VL 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 (ở cấp độ vĩ mô) và do vậy có thể bỏ qua các thăng giáng và gián đoạn lượng tử Trong khi đó, cấu trúc nano

có ít nguyên tử hơn rất nhiều (từ một vài đến vài chục ngàn)

nên các đặc tính lượng tử bộc lộ rất rõ (2) Hiệu ứng bề mặt

VL nano có số nguyên tử nằm trên bề mặt chiếm tỉ phần đáng

kể so với tổng 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 VL ở bên kia lớp bề mặt trở nên quan trọng làm thay đổi/chi phối các tính chất của vật liệu dẫn đến các khác biệt

đáng kể so với VL khối (3) Kích cỡ tới hạn Mọi tính chất của

VL đều có một giới hạn về kích thước - gọi là kích thước tới hạn, nhỏ hơn kích thước này thì tính chất của nó hoàn toàn thay đổi Các tính chất điện, từ, cơ, hóa khác đều có độ dài tới hạn

cỡ nm (TD: bước sóng de Broglie của hạt tải, 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 VL nano có thể trở nên khác hẳn cấu trúc khối với cùng loại VL Điều này mở ra một con đường mới cho sự sáng tạo những thế hệ VL nano với những tính chất mong muốn,

không chỉ bằng cách thay đổi thành phần hóa học của các cấu

tử, mà còn bởi sự điều chỉnh kích thước và hình dạng của cấu trúc

Hình 1.6: Sơ đồ chế tạo các vi cấu trúc nano [86,113]

Một cách tổng quát công nghệ chế tạo các cấu trúc kích

cỡ nano có thể được chia thành hai phương pháp chính: từ trên

xuống (top down) và từ dưới lên (bottom up) Chế tạo từ trên xuống là phương pháp chế tạo có thể được so sánh với điêu

khắc từ một khối đá Trong đó khối vật liệu được làm xói mòn dần cho đến khi đạt được kích cỡ và hình dạng mong muốn Kỹ thuật của công nghệ chế tạo nano từ trên xuống rất khác nhau, nhưng có thể được phân loại thành các kỹ thuật chế tạo cơ khí

và hóa học Kỹ thuật chế tạo từ trên xuống hầu hết là in nano thạch bản (hay còn gọi là quang khắc) (Hình 1.6) Trong quá trình này, các vật liệu được chế tạo cần được che phủ bởi một mặt nạ và các VL tiếp xúc được khắc đi Tùy thuộc vào mức độ phân giải cần thiết cho các tính năng trong sản phẩm cuối cùng, việc chạm khắc vật liệu cơ sở có thể được thực hiện bằng phương pháp hóa học sử dụng axit hoặc bằng phương pháp cơ học sử dụng ánh sáng cực tím, hoặc chùm tia X hay chùm hạt electron Đây là kỹ thuật áp dụng để sản xuất các con chíp máy

tính (CPU) Chế tạo từ dưới lên là phương pháp chế tạo có thể

được so sánh với việc xây dựng một ngôi nhà gạch Giống như đặt từng viên gạch mỗi lần để tạo ra một ngôi nhà, kỹ thuật chế tạo từ dưới lên đặt từng nguyên tử hay phân tử (hay khối thành

tố xây dựng cơ bản) mỗi lần để xây dựng nên các cấu trúc nano

8

mong muốn Quá trình như vậy là tốn thời gian và vì vậy các

kỹ thuật tự lắp ráp được sử dụng khi mà các nguyên tử tự sắp

xếp với nhau theo yêu cầu Kỹ thuật chế tạo từ dưới lên gần đây đã thu được khá nhiều thành công Chẳng hạn việc sản xuất các chấm lượng tử bằng cách tự lắp ráp đã vượt qua kỹ thuật từ trên xuống bằng phương pháp in thạch bản cũ để chế tạo các chấm lượng tử bán dẫn Xa hơn nữa phương pháp tiếp cận từ dưới lên lên thông qua việc tìm cách sắp xếp các thành phần nhỏ vào một thực thể phức tạp hơn được ứng dụng rỗng rãi trong công nghệ sinh học Chẳng hạn công nghệ DNA nano

sử dụng các đặc trưng của cơ sở kép Watson-Crick để xây dựng cấu trúc được xác định trước ở bên ngoài DNA và axit nucleic khác

1.2 Tổng quan về các vật liệu nghiên cứu

Nếu điện trở suất/độ dẫn điện là đặc trưng vĩ mô quan trọng nhất của VL bán dẫn thuần (chưa pha tạp) thì đặc trưng vi mô quan trọng nhất của nó là độ rộng vùng cấm và hằng số mạng Ôxit kẽm (ZnO) được cho là VL bán dẫn có nhiều tính chất thú vị và quan trọng hơn nhiều so với các VL khác, do đó có rất nhiều ấn phẩm khoa học nói về ZnO, đặc biệt là kể từ năm

2000 [77] Lý giải cho điều này là vì ZnO có thể được hiện thực hóa rất dễ dàng trong nhiều cấu trúc nano khác nhau, tính chất phát quang tuyệt vời và khả năng thay đổi độ rộng vùng cấm, chẳng hạn trong cấu trúc nano dị chất vỏ-lõi, tính áp điện của nó tìm thấy ứng dụng như máy phát điện nano, tính tương thích sinh học sẽ tìm thấy ứng dụng trong cảm biến hóa-y-sinh, tính trong suốt cao và khả năng có tính sắt từ ở nhiệt độ phòng

sẽ ứng dụng trong quang điện tử và điện tử học spin

1.3 Cấu trúc nano xốp

VL nano xốp (nanoporous - NP) được cấu tạo gồm một bộ

khung xương đều đặn (framework) từ vật liệu hữu cơ hoặc vô

cơ hỗ trợ một cấu trúc xốp tuần hoàn Kích thước của các lỗ hay hốc rỗng (pore) hay khoảng trống (void) thường 100 nm hoặc nhỏ hơn Hầu hết các VL nano xốp có thể được phân loại

là VL khối (3D) hoặc màng (2D) Than hoạt tính và zeolit là hai ví dụ về các VL NP khối, trong khi màng tế bào có thể được coi như màng nano xốp Phần khung xương của VL nano xốp thường được gọi là "ma trận" hoặc "khung" Một VL nano xốp với các hốc rỗng luôn đi kèm với đặc tính chỉ cho một số chất nhất định đi qua nó, trong khi chặn lại những chất VL

nano xốp có thể được phân chia thành ba loại theo cách phân

loại của Hiệp hội quốc tế về hóa học thuần và ứng dụng

(IUPAC): (1) vi xốp (microporous) là vật liệu có kích thước (thường tính theo đường kính hiệu dụng) hốc rỗng: 0.2- 2 nm, (2) xốp tầm trung (mesoporous): 2-50 nm (3) xốp vĩ mô (macroporous): 50-1000 nm

Hình 1.16: (a) Giản đồ sức mạnh và mật độ của vật liệu và (b)

và siêu vật liệu cơ học [61]

NP khối là VL cấu trúc nano theo 3D (do nhúng trong nó các cấu trúc nano, khác biệt với các VL nano thấp chiều truyền thống như 0D - hạt nano, 1D – dây, dải nano và 2D - tấm nano), sở hữu nhiều tính chất bề mặt, cấu trúc độc đáo và một

số lượng lớn các ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như trao đổi ion, phân tách chất, xúc tác, cảm biến, lưu trữ năng lượng và tế bào nhiên liệu, nano-xúc tác và trong y sinh như cách ly phân

tử, thanh lọc sinh học, phân phối thuốc Một TD về VL NP là các Zeolite - khoáng chất silicat nhôm (alumino-silicat) của một số kim loại có cấu trúc vi xốp Hiện có khoảng 150 loại zeolite đã được tổng hợp và khoảng 48 tự nhiên Zeolit có cấu trúc mở vì vậy có thể kết hợp với ion kim loại khác Na+, K+,

Ca2+, Mg2+ Zeolit đã tạo nên bước ngoặt lớn trong CN hoá học, đặc biệt trong ngành dầu khí và hiện chiếm khoảng 95%

10

tổng lượng xúc tác trong lọc và hoá dầu và có nhiều ứng dụng trong CN Một dạng VL NP đang nổi lên rất mạnh như là một

tiêu điểm mới của KH VL tương lai là vật khung kim loại hữu

cơ (Metal-organic frameworks - MOF) - chúng là hợp chất bao

gồm các ion kim loại hoặc cụm phân tử liên kết với nhau bởi các ligand hữu cơ để tạo thành các cấu trúc tuần hoàn 1D, 2D

và 3D Chúng được coi như là một nhánh của VL NP với sự kết hợp lai giữa vô cơ-hữu cơ

Chương 2: Cơ sở của lý thuyết phiếm hàm mật độ DFT và

gần đúng liên kết chặt dựa trên DFTB

2.3 Lý thuyết phiếm hàm mật độ DFT

Lý thuyết phiếm hàm mật độ (DFT) là phương pháp tính

toán mô hình hóa lượng tử được sử dụng trong vật lý, hóa học

và khoa học VL để nghiên cứu cấu trúc điện tử của hệ nhiều hạt, đặc biệt là các nguyên tử, các phân tử và các chất rắn Qua

đó, các tính chất của một hệ nhiều điện tử có thể được xác định bằng cách sử dụng các phiếm hàm, các hàm của các hàm khác - hàm mật độ điện tử phụ thuộc không gian DFT hiện nay là một trong những phương pháp phổ biến và linh hoạt nhất trong vật lý vật chất rắn, vật lý và hóa học tính toán

2.4 Phương pháp phiếm hàm mật độ kết hợp gần đúng liên kết chặt tự tương thích điện tích SCC-DFTB

Phương pháp phiếm hàm mật độ kết hợp gần đúng liên kết chặt tự tương thích điện tích – SCC DFTB (Self consistent

charge density functional based tight-binding) là một phương

pháp tiếp cận gần đúng lý thuyết phiếm hàm mật độ (DFT) Kohn-Sham, nó kết hợp độ chính xác hợp lý và hiệu quả tính toán Phương pháp này rất hữu ích trong việc tính toán đặc trưng điện của các hệ lớn từ vài trăm tới vài nghìn nguyên tử được tích hợp vào phần mềm mã nguồn mở DFTB+ [89]

Chương 3: Nghiên cứu các cấu trúc nano xốp mật độ thấp

bằng phương pháp tiếp cận từ dưới lên

3.1 Phương pháp dự đoán cấu trúc từ dưới lên