Ảnh hưởng của biến dạng lên độ linh động của hạt tải trong dải nano graphene (tt)

ĐẠI HỌC HUẾ TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM · · · ♦ · · · PHAN THỊ THANH HUYỀN ẢNH HƯỞNG CỦA BIẾN DẠNG LÊN ĐỘ LINH ĐỘNG CỦA HẠT TẢI TRONG DẢI NANO GRAPHENE Chuyên ngành: Vật lý lý thuyết và vật l

Trang 1

ĐẠI HỌC HUẾ TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM

· · · ♦ · · ·

PHAN THỊ THANH HUYỀN

ẢNH HƯỞNG CỦA BIẾN DẠNG LÊN ĐỘ LINH ĐỘNG CỦA HẠT TẢI TRONG DẢI NANO GRAPHENE

Chuyên ngành: Vật lý lý thuyết và vật lý toán

Mã số: 60 44 01 03

LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ

THEO ĐỊNH HƯỚNG NGHIÊN CỨU

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

Demo Version - Select.Pdf SDK

Trang 2

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 Phan Thị Thanh Huyền

Trang 3

LỜI CẢM ƠN

Để có thể đi đến cái đích của con đường dài học tập như ngày hôm nay, tôi đã bỏ ra rất nhiều thời gian và công sức, đây là kết quả của một quá trình dài cố gắng tìm tòi, học hỏi Trên con đường đó, tôi rất may mắn khi nhận được sự dìu dắt của người Thầy mà tôi luôn kính trọng -PGS TS Nguyễn Ngọc Hiếu Thầy đã luôn theo sát, giúp đỡ tôi kịp thời trong suốt quá trình thực hiện luận văn Và cũng không thể không kể đến

sự lo lắng, hỗ trợ của Ba Mẹ, của các anh chị em, bạn bè trong lớp Cao học Vật lý lý thuyết và Vật lý toán K24 để tôi có thể hoàn thành luận văn này một cách tốt nhất Vì thời gian nghiên cứu vấn đề này không phải

là dài, chắc chắn sẽ còn rất nhiều thiếu sót Tôi xin nhận tất cả mọi sự góp ý, bổ sung từ quý Thầy cô, bạn bè để luận văn được hoàn chỉnh hơn Chân thành cảm ơn

Huế, tháng 9 năm 2017

Tác giả Phan Thị Thanh Huyền

Trang 4

MỤC LỤC

Trang phụ bìa i

Lời cam đoan ii

Lời cảm ơn iii

Danh sách hình vẽ 3

MỞ ĐẦU 4

Chương 1: Tổng quan về nghiên cứu 8

Chương 2: Mô hình điện tử liên kết mạnh và lý thuyết biến dạng đồng nhất áp dụng cho dải nano graphene 15

2.1 Cấu trúc nguyên tử của dải nano graphene 15

2.2 Lý thuyết biến dạng đồng nhất và mô hình điện tử liên kết mạnh trong dải nano graphene 17

2.2.1 Lý thuyết biến dạng đồng nhất 17

2.2.2 Mô tả biến dạng của dải nano graphene bằng lý thuyết biến dạng đồng nhất 20

2.2.3 Mô hình điện tử liên kết mạnh 22

Chương 3: Tính chất truyền dẫn của dải nano graphene biến dạng 26

3.1 Tính toán cấu trúc vùng năng lượng của dải nano graphene biến dạng 26

3.2 Độ linh động và khối lượng hiệu dụng của hạt tải của dải graphene biên armchair biến dạng 31

3.3 Ảnh hưởng của biến dạng lên tính chất truyền dẫn của dải nano graphene biên armchair 35

KẾT LUẬN 45

TÀI LIỆU THAM KHẢO 47

Trang 5

DANH SÁCH HÌNH VẼ

1.1 Cấu trúc nguyên tử của graphene 8 1.2 (a) Phân loại dải nano graphene dựa trên hình dạng của

biên (b) Độ rộng của dải nano graphene được đặc trưng

bởi số hàng N 10

2.1 Cấu trúc nguyên tử của dải nano graphene biên armchair

với các chiều dài liên kết a và b có chiều dài khác nhau 15 2.2 Mô hình graphene biến dạng Phương của lực hợp với trục

Ox một góc θ Biên armchair của mạng tổ ong song song

với trục Ox 18

3.1 Sự ảnh hưởng của biến dạng đơn trục lên độ linh động của

điện tử µe (a) và lỗ trống µh (b) trong dải graphene trong

trường hợp δ = 0.02 và θ = 00 Đồ thị nằm trong (a) là độ

linh động của điện tử trong dải graphene N = 6 và N = 7 37 3.2 Sự ảnh hưởng của biến dạng đơn trục lên độ linh động của

trường hợp δ = 0.05 và θ = 00 Đồ thị nằm trong (a) là độ

linh động của điện tử trong dải graphene N = 6 và N = 7 38 3.3 Sự ảnh hưởng của độ chênh lệch liên kết lên độ linh động

của điện tử µe (a) và lỗ trống µh (b) trong dải graphene

trong trường hợp ε = −5% và θ = 00 39 3.4 Sự ảnh hưởng của độ chênh lệch liên kết lên độ linh động

trong trường hợp ε = 5% và θ = 00 39 3.5 Sự ảnh hưởng của biến dạng đơn trục lên độ linh động của

trường hợp δ = 0.02 và θ = 900 Đồ thị nằm trong (a) là

Trang 6

3.7 Sự ảnh hưởng của độ chênh lệch liên kết lên độ linh động

trong trường hợp ε = −5 % và θ = 900 43 3.8 Sự ảnh hưởng của độ chênh lệch liên kết lên độ linh động

trong trường hợp ε = 5 % và θ = 900 43

Trang 7

MỞ ĐẦU

1 Lí do chọn đề tài

Công nghệ nano nói chung và vật liệu carbon có cấu trúc nano nói riêng ngày nay đã và đang trở thành một ngành công nghệ cao đầy triển vọng, có rất nhiều ứng dụng trong thực tiễn Các nghiên cứu về ứng dụng các vật liệu nano vào trong các linh kiện và thiết bị điện tử đang là vấn

đề được rất nhiều nhà khoa học quan tâm

Trong hàng ngàn nghiên cứu về vật lý chất rắn, có rất nhiều lý thuyết được đưa ra để xem xét các vật chất 2 chiều và cuối cùng, người ta đưa

ra một kết luận cực kì quan trọng, đó là không bao giờ tồn tại một vật chất 2 chiều tuân theo các quy luật vật lý thông thường Nhưng, vào năm

2004, A Geim và K Novoselov đã phát hiện ra một điều thú vị rằng có một loại vật liệu 2 chiều được tạo thành từ một lớp đơn các nguyên tử carbon, đó chính là graphene [1] Về cơ bản graphene như là một tấm carbon với độ dày bằng một nguyên tử Các nguyên tử carbon đó liên kết với nhau, sắp xếp thành một mạng lục giác (mạng hình tổ ong) Công trình này sau đó đã mang về giải Nobel vật lý cho họ vào năm 2010 Chính phát hiện đột phá này đã thúc đẩy cho các quá trình tìm hiểu, nghiên cứu về graphene, ứng dụng của graphene thêm mạnh mẽ Graphene được tạo thành bằng nhiều phương pháp khác nhau: phương pháp cắt vi cơ, phương pháp sử dụng băng keo, phương pháp lắng đọng pha hơi hóa học (CVD), phương pháp epitaxy chùm phân tử Graphene tuy là một cấu trúc 2 chiều nhưng trên thực tế nó không phải là một mặt phẳng hoàn hảo Graphene là vật liệu có cấu trúc bền vững và gần như trong suốt với ánh sáng Độ cứng của graphene lớn hơn rất nhiều so với các vật liệu khác (cứng hơn cả kim cương và gấp khoảng 200 lần so với thép) Một lợi

Trang 8

linh động đo được vẫn cao vào cỡ từ 2.104 cm2/Vs đến 4.104 cm2/Vs khi

sử dụng chất nền là lục giác đơn tinh thể boron nitride (h-BN) [2] Bên cạnh đó người ta còn quan sát được hiệu ứng Hall lượng tử của graphene ngay tại nhiệt độ phòng

Năm 1985, một nhóm nghiên cứu bao gồm Harold Kroto và Sean O’Brien, Robert Curl, Richard Smalley khám phá ra một phân tử rất bền chứa chính xác 60 nguyên tử carbon, viết tắt là C60, người ta thường gọi

là fullerene hay là bucky ball Sáu năm sau (1991), S Iijima tình cờ phát hiện qua kính hiển vi điện tử ống nano carbon, "người em họ" của C60, một loại vật liệu 1 chiều mới [3] Ống nano carbon có đường kính vài nano mét và chiều dài có thể dài đến vài trăm micro mét Nó được xem như là một loại vật liệu tiêu biểu cho công nghệ nano bởi có sức bền siêu đẳng,

độ dẫn nhiệt cao và nhiều tính chất điện tử thú vị Bên cạnh ống nano carbon, dải nano graphene được xem là hệ một chiều đang được nhiều nhà khoa học kể cả lý thuyết, thực nghiệm lẫn ứng dụng quan tâm nghiên cứu Đây là một dải graphene với bề rộng siêu bé (< 50 nm), nó đã được giới thiệu như là một mô hình lý thuyết mới bởi một nhà vật lý người Nhật M Fujita và các đồng tác giả để khảo sát, nghiên cứu các cạnh và kích cỡ nano ảnh hưởng như thế nào trong graphene [4]

Hình dạng của biên và độ rộng của dải graphene sẽ ảnh hưởng đến việc dải nano graphene là kim loại hay phi kim Có hai loại dải nano graphene, một loại có biên dạng zigzag, loại còn lại có biên dạng ghế bành (amchair) Độ rộng của một dải graphene được đặc trưng bởi số hàng nguyên tử carbon chạy dọc theo biên Độ rộng vùng cấm của graphene bằng không Một sự thuận lợi của graphene không có vùng cấm là độ linh động hạt tải của nó rất cao Tuy nhiên, khi một khe năng lượng khác không tồn tại, độ linh động đó giảm đi một cách đột ngột Mong muốn đạt được độ linh động cao và hệ số đóng/mở lớn một cách đồng thời giới hạn sự phát triển của điện tử học graphene [2] Dải nano graphene 10 nm transistor hiệu ứng trường (FET) đã chỉ ra rằng độ linh động của hạt tải giảm xuống dưới 200 cm2/Vs với bề rộng bé lại khi một khe năng lượng hình thành

Trong một số bài nghiên cứu, báo cáo đã chỉ ra rằng các thông số biểu

Trang 9

diễn cấu trúc hình học của dải nano graphene đã có sự thay đổi khi xuất hiện biến dạng, chịu tác dụng của lực Như vậy, biến dạng có ảnh hưởng trực tiếp đến cấu trúc hình học của dải nano graphene Sự thay đổi cấu trúc hình học ắt hẳn sẽ có ảnh hưởng đến các tính chất điện tử và tính chất truyền dẫn của dải nano graphene, cụ thể là độ linh động của hạt tải trong đó Sự thay đổi tính chất điện tử và truyền dẫn dưới ảnh hưởng của biến dạng có thể đem lại nhiều tính chất mới, áp dụng được trong các thiết bị nano dựa trên nanoribbon Thông qua việc tìm hiểu các phương pháp nghiên cứu, sự phù hợp với chuyên ngành đào tạo và dựa trên tình hình cơ sở vật chất của Việt Nam, tôi nhận ra rằng, phương pháp nghiên cứu lý thuyết là phù hợp hơn cả Đó là những lý do thúc đẩy tôi chọn và nghiên cứu đề tài: “Ảnh hưởng của biến dạng lên độ linh động của hạt tải trong dải nano graphene”

2 Mục tiêu nghiên cứu

Khảo sát tính chất truyền dẫn của dải nano graphene biên armchair biến dạng 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 ảnh hưởng của biến dạng lên độ linh động của hạt tải trong dải nano graphene

4 Nhiệm vụ nghiên cứu

- Tìm hiểu các kiến thức tổng quan phục vụ cho việc khảo sát của luận văn

- Nghiên cứu độ linh động và khối lượng hiệu dụng của hạt tải (điện

tử và lỗ trống) của dải nano graphene biên armchair biến dạng bằng mô hình điện tử liên kết mạnh

- Ảnh hưởng của biến dạng lên tính chất truyền dẫn của dải nano

Trang 10

động của hạt tải trong dải nano graphene.

6 Phạm vi nghiên cứu

Chỉ nghiên cứu dải nano graphene có biên dạng armchair

7 Bố cục luận văn

Ngoài các phần mở đầu, kết luận và tài liệu tham khảo thì nội dung chính của luận văn gồm 3 chương Cụ thể như sau:

Chương 1: Các vấn đề tổng quan

Chương 2: Mô hình điện tử liên kết mạnh và lý thuyết biến dạng đồng nhất áp dụng cho dải nano graphene

2.1 Cấu trúc nguyên tử của dải nano graphene

2.2 Lý thuyết biến dạng đồng nhất và mô hình điện tử liên kết mạnh 2.3 Mô tả biến dạng của dải nano graphene bằng lý thuyết biến dạng đồng nhất

Chương 3: Tính chất truyền dẫn của dải nano graphene biến dạng 3.1 Tính toán cấu trúc vùng năng lượng của dải nano graphene biến dạng

3.2 Độ linh động và khối lượng hiệu dụng của hạt tải của dải nano graphene biên armchair biến dạng

3.3 Ảnh hưởng của biến dạng lên tính chất truyền dẫn của dải nano graphene biên armchair

Định dạng
Số trang	10
Dung lượng	178,81 KB