Phổ năng lượng electron và quang phổ hấp thụ của Graphene-Hexagonal Boron Nitride

TAÏP CHÍ KHOA HOÏC ÑAÏI HOÏC SAØI GOØN Soá 4(29) - Thaùng 6/2015<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Phổ năng lượng electron và quang phổ hấp thụ của<br /> Graphene-Hexagonal Boron Nitride<br /> Electron energy spectrum and optical absorption curves of Graphene-Hexagonal Boron Nitride<br /> <br /> TS. Tạ Đình Hiến<br /> Trường Đại học Sài Gòn<br /> <br /> Ph.D. Ta Dinh Hien<br /> Sai Gon University<br /> <br /> <br /> <br /> Tóm tắt<br /> Bài báo trình bày tổng quan những nghiên cứu về vật liệu graphene, hexagonal boron nitride (h-BN) và<br /> các ứng dụng của những vật liệu này trong kỹ thuật công nghệ nano. Tính toán đặc trưng phổ năng<br /> lượng electron và quang phổ hấp thụ của vật liệu graphene và hexagonal boron nitride đơn và đa lớp<br /> xen kẽ nhau, dựa trên cơ sở lý thuyết phiếm hàm mật độ có hiệu chỉnh tương tác van-der-Waals.<br /> Từ khóa: graphene, hexagonal boron nitride, lý thuyết phiếm hàm mật độ, phổ năng lượng electron,<br /> quang phổ hấp thụ<br /> Abstract<br /> In this article was presented overview of research on graphene, hexagonal boron nitride structure<br /> (h-BN) and application of these structures in nanotechnology. The electron energy spectrum and the<br /> optical absorption curves of monolayer graphene, monolayer layer h-BN and multilayer graphene-h-BN<br /> structure were calculated by computational scheme, based on the density functional theory with<br /> dispersion interactions van-der-Waals.<br /> Keywords: graphene, hexagonal boron nitride, density functional theory, electron energy spectrum,<br /> optical absorption spectrum<br /> <br /> <br /> <br /> 1. Tổng quan tình hình nghiên cứu dài cạnh lục giác là 1.46 Å và trên đỉnh lục<br /> và ứng dụng graphene, hexagonal boron giác là nguyên tử Bo (B) và nitơ (N) [3].<br /> nitride Graphene được xếp vào vật liệu bán kim<br /> Graphene là một lớp vật liệu cacbon loại bởi không có bề rộng vùng cấm năng<br /> hai chiều có cấu trúc mạng tinh thể hình lượng và h-BN là vật liệu bán dẫn.<br /> lục giác với chiều dài cạnh là 1.42 Å và Graphene được chế tạo thành công và thu<br /> trên mỗi đỉnh lục giác là một nguyên tử nhận bằng thực nghiệm vào năm 2004, đã<br /> cacbon [1, 2]. Cấu trúc tinh thể graphite thu hút nhiều nhà khoa học và các viện<br /> được cấu tạo từ nhiều lớp graphene và nghiên cứu trên thế giới nghiên cứu vật<br /> khoảng cách giữa các lớp là 3.35 Å. liệu này về phương diện lý thuyết cũng như<br /> Hexagonal boron nitride cũng có cấu trúc phương pháp chế tạo và ứng dụng bởi<br /> mạng hai chiều tương tự gaphene với độ graphene sở hữu những tính năng đặc biệt<br /> <br /> 33<br /> như: tính dẫn nhiệt và dẫn điện cao hơn các khăn trong việc tạo ra hai trạng thái đóng<br /> vật liệu biết đến hiện nay, sự phụ thuộc của và ngắt. Vì vậy tạo ra vùng cấm năng<br /> tính chất điện tử vào các thành phần hóa lượng trong cấu trúc graphene là vấn đề<br /> học được hấp thụ trên bề mặt graphene, bề cấp bách hiện nay trong việc nghiên cứu<br /> rộng vùng cấm năng lượng có thể điều vật liệu này. Đã có những phương pháp<br /> chỉnh được, hiệu ứng Hall lượng tử, độ khác nhau như: tạo khuyết tật cấu trúc bên<br /> dịch chuyển của hạt mạng điện cao, tính trong graphene, liên kết với các nguyên tử<br /> đàn hồi lớn. Với tất cả những tính chất hoạt tính trên bề mặt, và hiệu ứng lượng tử<br /> được liệt kê trên thì graphene rất tiềm năng kích thước.<br /> trong vai trò thay thế vật liệu Silicon trong Với tính cấp bách đó, thì việc tính<br /> chế tạo thành phần linh kiện điện tử và cải toán và khảo sát sự tương tác xen kẽ lẫn<br /> thiện khả năng chịu lực, dẫn điện và dẫn nhau giữa hai lớp vật liệu có cấu trúc tương<br /> nhiệt của các linh kiện điện tử kích thước tự là graphene và h-BN nhằm tìm ra sự<br /> nano mét. Hiện nay mỗi năm có hàng trăm thay đổi tính chất điện tử cũng như vùng<br /> bài báo công bố trên các tạp chí quốc tế về năng lượng của hệ cấu trúc graphene-<br /> nghiên cứu cơ bản và ứng dụng của vật liệu hexagonal boron nitride là cần thiết.<br /> graphene, trong số đó bài báo [4] trình bày 2. Phương pháp nghiên cứu và tính toán<br /> tổng quát và liệt kê những tính chất lý-hóa Để tính toán phổ năng lượng electron<br /> của graphene, tổng quan về các phương và quang phổ hấp thụ của vật liệu graphene<br /> pháp chế tạo graphene và đồng thời tác giả và hexagonal boron nitride, tôi đã sử dụng<br /> phân tích tiềm năng ứng dụng vật liệu phương pháp tính toán dựa trên lý thuyết<br /> graphene trong tương lai. phiếm hàm mật độ (DFT) [7], áp dụng cho<br /> Ngoài vật liệu hai chiều graphene, các trường hợp cấu trúc tịnh tiến đối xứng.<br /> nhà khoa học [3] đã thành công trong việc Phương pháp tính toán này đã được vận<br /> chế tạo một hoặc nhiều lớp vật liệu h-BN dụng trong gói phần mềm SIESTA [8] và<br /> bằng phương pháp ngưng tụ hóa học trong có bổ sung hiệu chỉnh tương tác van-der-<br /> chân không. Sự thành công này đã kích thích Waals giữa các nguyên tử. Chúng tôi đã<br /> cho việc nghiên cứu và chế tạo vật liệu hai thành công trong việc áp dụng phương<br /> chiều khác như Silicene, Germanene và pháp tính toán này để tính toán phổ năng<br /> MoS2. lượng của cấu trúc nhiều lớp graphene có<br /> Đến ngày nay, các khoa học gia của hấp thụ nguyên tử kim loại kiềm và kết quả<br /> IBM đã chế tạo thành công chip trên nền đã được đăng trên tạp chí Nanotechnologies<br /> graphene và đã tạo ra transitor mới với in Russia [16]. Trong quá trình tính toán đã<br /> chiều dài kênh xử lý dưới 10 nm. Chip tích sử dụng phương pháp xấp xỉ Gradient tổng<br /> hợp trên transitor như vậy đạt được tần số quát (GGA) với phiếm hàm trao đổi tương<br /> 5 GHz, so với chip tích hợp trên Silicon quan Perdew–Burke–Ernzerhof [9] và bộ<br /> thông thường thì chưa đạt được. Các đôi hàm cơ sở của các obitals hóa trị có<br /> transitor này hứa hẹn sẽ ứng dụng rộng rãi phân cực (DZP- basic). Sự tương tác giữa<br /> trong sản xuất pin mặt trời và màn hình các nguyên tử ở trong các lớp vật liệu ở<br /> LED trong tương lai [5]. Ngoài ra graphene khoảng cách xa được miêu tả thông qua<br /> còn được ứng dụng trong chế tạo ăng ten phương pháp phiếm hàm mật độ van-der-<br /> thu được tần số 300 GHz [6]. Waals (vdW-DF) [10]. Ảnh hưởng của các<br /> Tuy nhiên graphene là vật liệu bán electron lớp trong gần hạt nhân được tính<br /> kim loại nên còn hạn chế trong việc sử đến nhờ giả thế năng Troullier-Martins<br /> dụng trực tiếp graphene để chế tạo transitor [11] với dạng Kleinman-Bylander [12]. Vị<br /> vì thiếu vùng cấm năng lượng nên gặp khó trí tọa độ các nguyên tử trong ô mạng cơ sở<br /> <br /> 34<br /> và chiều dài của các vectơ tịnh tuyến đã và tính toán sự hấp thụ photon của vật liệu<br /> được tối ưu hóa cho đến khi tổng năng graphene và h-BN trong trường hợp sóng<br /> lượng của hệ đạt được giá trị nhỏ nhất. Sự điện từ có phân cực của vectơ điện trường<br /> tối ưu cấu trúc được diễn ra cho đến khi song song với bề mặt các lớp vật liệu.<br /> thành phần tương tác của các lực nguyên tử Quang phổ hấp thụ  (  ) thể hiện thông<br /> đạt được nhỏ hơn 0.01 eV/Å. Từ kết quả qua sự phụ thuộc thành phần ảo của độ<br /> tính toán nhận được xây dựng giản đồ năng thẩm điện môi vào năng lượng photon<br /> lượng  (k) và mật độ trạng thái của được hấp thụ.<br /> electron  ( ) . Sự hấp thụ photon của vật Để tính toán cấu trúc điện tử và quang<br /> liệu gaphene và boron nitride được tính phổ hấp thụ ta phải giải phương trình<br /> toán thông qua phần ảo của hệ số độ thẩm Kohn-sham (1):<br /> điện môi. Trong bài báo, tôi đã nghiên cứu<br /> <br /> <br />  2<br /> e2 ρ(r) <br />    j  eV(r) <br /> 2<br />  dr  Vxc ρ(r)  ψ j  ε jψ j , (1)<br />  2m e 4πε 0 r  r <br /> <br /> ở đây: e và me - điện tích và khối C jμ (k) - ma trận hệ số khai triển; k - vectơ<br /> lượng của electron; ρ(r)   ψ j (r) - mật<br /> 2<br /> <br /> j<br /> sóng; R n - vectơ chuyển vị. Với phương<br /> độ electron; ψ j (r) - hàm sóng của j- trình (2) thì phương trình (1) sẽ có dạng:<br /> electron; εj – giá trị riêng của toán tử C<br /> ν<br /> jμ <br /> (k) Fνμ (k)  εSνμ (k)  0, <br /> Kohn-Sham; V(r) - thế năng được tạo bởi<br /> ν,μ  1,2,...,N,<br /> hạt nhân; Vxc ρ(r) - thế năng trao đổi-<br /> (3)<br /> ở đây Fνμ (k)   e ik R n<br /> χ *ν (r) Fˆ χ μ (r  R n )<br /> tương quan. n<br /> Để tính toán cấu trúc điện tử của hệ - phần tử ma trận của toán tử Fock;<br /> nhiều nguyên tử có đối xứng tuyến tính thì<br /> hàm sóng electron trong hệ được biểu diễn Sνμ (k)   eikR n χ *ν (r) χ μ (r  R n )<br /> dưới dạng hàm Block tổng hợp các obitals n<br /> nguyên tử: - tích phân che phủ của các obitals nguyên<br /> tử; N – số electron hóa trị trong ô mạng<br /> ψ j (k, r)   C jμ (k) eikR n χ μ (r  R n ) , tinh thể mở rộng được sử dụng để tính<br /> (2)<br /> μ n<br /> toán.<br /> ở đây χ μ (r) - obital nguyên tử;<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> 35<br /> Hình 1. Sơ đồ thuật toán giải phương trình Kohn-Sham dựa trên lý thuyết phiếm hàm mật độ<br /> <br /> Hệ phương trình (3) được giải bằng cho tính chất điện tử của cấu trúc. Chẳng<br /> phương pháp lặp xấp xỉ. Trên cơ sở giải hạn mật độ trạng thái của electron trong hệ<br /> phương trình (3) ta nhận được những giá trị được biểu diễn theo công thức sau:<br /> đặc trưng cho phổ năng lượng cũng như<br /> <br /> 1<br /> η(ε)   <br /> VBZ j μ ν n BZ<br /> C jμ (k)C*jν (k)eikR n SRνμn (k)δ(ε  ε j (k))dk   ημ (A) (ε) (4);<br /> A μ<br /> <br /> <br /> <br /> ở đây: VBZ - thể tích của vùng Brilloiun; ημ (A) (ε) - mật độ riêng phần của các obital<br /> nguyên tử A.<br /> Trên cơ sở biết được các hàm riêng và các giá trị riêng của toán tử Kohn-Sham ta có<br /> thể tính tensơ của phần ảo độ thẩm điện môi dựa trên công thức sau:<br /> e2 fl  fl  * ˆ η<br /> εαβ (ω)  <br /> ε 0 mω2 V l l l  m <br /> l Pαl  dr   l<br /> *ˆ<br />  Pβl dr <br /> (ωl   ωl  ω) 2  η2<br /> , (5)<br /> <br /> <br /> 36<br />  ở đây: V – thể tích phần tử ô mạng cơ Vì cấu trúc có tính tuần hoàn nên ta có thể<br /> sở; f l - sác xuất lấp đầy trạng thái thứ l; l - áp dụng điều kiện biên tuần hoàn lên mẫu<br /> hàm sóng của trạng thái l không có trường 4×4=16 ô cở sở. Điều này tương ứng lấy<br /> tổng 16 điểm đối xứng của vectơ sóng<br /> điện từ ngoài; Pˆ α - hình chiếu của toán tử<br /> k  kn1 ,n2 (kể cả điểm k  0 ) trên vùng<br /> xung lượng α; ωl   l ; ω – tần số của<br /> Brillouin trong tính toán năng lượng của<br /> trường điện từ ngoài.<br /> cấu trúc:<br /> Thuật toán giải phương trình Kohn-<br /> Sham được minh họa bằng sơ đồ khối trên n1 n<br /> kn1 ,n2  b1  2 b2 , (6)<br /> hình 1. N1 N2<br /> 3. Phổ năng lượng electron và<br /> ở đây b1  và b2  là vectơ tịnh tiến<br /> quang phổ hấp thụ của graphene và<br /> hexagonal boron nitrde trong không gian mạng đảo, có liên quan<br /> Để tính toán tính chất điện tử của vật đến vectơ a1 và a2 (hình 2) tương ứng<br /> liệu bằng phần mềm tính toán SIESTA, ai b j   ij (  ij - ký hiệu Kronecker), i, j = 1,<br /> bước đầu tiên ta phải xây dựng mô hình<br /> 2; n1 - và n2 - số nguyên lấy trong khoản 1<br /> cấu trúc của vật liệu và xác định các thông<br /> số cấu trúc tinh thể. Tối ưu hóa cấu trúc để đến N1 và N2 tương ứng; N1  N2  N  4 -<br /> đạt được cấu trúc bền vững nhất. Trên hình số ô cơ sở trong ô cơ sở mở rộng trên một<br /> 2 minh họa ô cơ sở mở rộng của cấu trúc phương truyền.<br /> vật liệu lớp hai chiều graphene và h-BN.<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 2. Ô cơ sở mở rộng 4×4 cho cấu trúc mạng hai chiều a) graphene; b) hexagonal<br /> boron nitride; a1 và a2 - vectơ tịnh tiến ô cơ sở; t1  , t2 – vectơ tịnh tiến ô cơ sở mở rộng<br /> Kết quả tính toán về sơ đồ vùng năng năng lượng. Mức thế năng hóa học µ trùng<br /> lượng và mật độ trạng thái của electron tự với giá trị cao nhất của vùng hóa trị, kết<br /> do trong một lớp graphene (hình 3a) và h- quả này phù hợp khá tốt với kết quả nghiên<br /> BN (hình 3b). Vùng hóa trị và vùng dẫn cứu bằng thực nghiệm của graphene. Điều<br /> trên sơ đồ năng lượng của vật liệu này càng khẳng định mức độ tin cậy của<br /> graphene tiếp xúc nhau tại điểm K của phương pháp và phần mềm tính toán.<br /> vùng Brillouin và thiếu vắng vùng cấm<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> 37<br /> Hình 3. Sơ đồ vùng năng lượng và mật độ trạng thái của electron tự do trong: a) graphene;<br /> b) h-BN; c) Vùng Brillouin của cấu trúc tinh thể có dạng lục giác.<br /> <br /> Đối với h-BN nhận được giá trị vùng chuyển của electron từ vùng hóa trị đến<br /> cấm năng lượng  g = 4,5 eV, là một chất vùng dẫn. Đỉnh giá trị cực đại của quang<br /> phổ hấp thụ photon của graphene lần lượt<br /> bán dẫn. Sơ đồ mật độ trạng thái  ( ) ,<br /> là E1 = 0.3 eV; E2 = 4.0 eV; E3 = 13.0 eV.<br /> tương ứng với phổ năng lượng electron, thể Trong quang phổ hấp thụ của h-BN ở hình<br /> hiện số trạng thái năng lượng electron có 4b thì dải năng lượng được hấp thụ để<br /> thể có được trong một đơn vị năng lượng. electron dịch chuyển từ vùng hóa trị lên<br /> Trong phần này tôi đã nghiên cứu sự vùng dẫn là ћω = 4.2 ÷ 8.0 eV và ћω > 12<br /> hấp thụ photon của vật liệu graphene và h- eV. Và đỉnh quang phổ hấp thụ là E4 = 5,6<br /> BN trong trường hợp sóng điện từ có phân eV, E5 = 14.0 eV.<br /> cực của véctơ điện trường E song song với Gía trị của điểm cực đại trên quang<br /> bề mặt vật liệu graphene và h-BN. Dựa phổ năng lượng hấp thụ của graphene trong<br /> trên các giá trị riêng và các hàm riêng trong tính toán của tôi là E2 = 4.0 eV, kết quả này<br /> quá trình giải phương trình Kohn-Sham, phù hợp với kết quả của tác giả trong bài<br /> tính toán và xây dựng quang phổ hấp thụ báo [13]. Đối với hexagonal boron nitride<br /> của vật liệu graphene và h-BN, kết quả giá trị điểm cực đại E4 nhận được bởi tôi là<br /> được thể hiện trên hình 4. 5.6 eV, nhỏ hơn 0.2 eV so với kết quả của<br /> tác giả trong bài báo [14] (trong bài báo<br /> này E4 = 5.8 eV).<br /> 4. Phổ năng lượng electron nhiều<br /> lớp graphene và hexagonal boron nitrde<br /> xen kẽ nhau<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 4. Quang phổ hấp thụ của vật liệu<br /> graphene (a) và h-BN (b);   - phần ảo độ<br /> thẩm điện môi.<br /> Trong quang phổ hấp thụ của Hình 5. Cấu trúc vật liệu hai chiều<br /> graphene ở hình 4a có 2 dải năng lượng graphene-hexagonal boron nitride đan xen<br /> hấp thụ của electron ћω = 0 ÷ 6.0 eV và ћω nhau. E - Vectơ điện trường của trường<br /> = 11÷ 15 eV, tương ứng với sự dịch điện từ ngoài.<br /> <br /> 38<br />  Graphene là vật liệu bán kim loại, còn hexagonal boron nitride xen kẽ nhau dựa<br /> h-BN là vật liệu bán dẫn, chúng có cấu trúc trên thuyết phiếm hàm mật độ là cần thiết.<br /> tinh thể giống nhau hình lục giác và hằng Trong phần này tôi nghiên cứu từ 2<br /> số mạng tinh thể khác nhau 2%, vì vậy cấu đến 4 lớp graphene và h-BN xen kẽ nhau,<br /> trúc graphene và h-BN có thể thay thế lẫn khảo sát tất cả các khả năng định hướng<br /> nhau và làm thay đổi được tính chất điện tử cấu trúc có thể để tạo nên cấu trúc hỗn hợp<br /> bên trong của vật liệu. Vì vậy nghiên cứu graphene-h-BN. Trên hình 5 minh họa cấu<br /> sự tương tác cấu trúc và sự thay đổi tính trúc hỗn hợp graphene-h-BN xen kẽ nhau.<br /> chất điện tử của hỗn hợp vật liệu graphene-<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 6. Các cấu trúc của graphene-hexagonal boron nitride; trên hình minh họa số<br /> nguyên tử trong một ô cơ sở; l- số lớp; dấu “ ' ” kí hiệu cho những nguyên tử đối diện<br /> nhau; vòng tròn bên dưới kí hiệu cho nguyên tử có vị trí trùng với vị trí tâm của hình lục<br /> giác của lớp bên cạnh.<br /> <br /> <br /> 39<br />  Trước khi tính toán phổ năng lượng và Tôi đã thực hiện tính toán các đặc tính<br /> quang phổ hấp thụ, cấu trúc graphene- năng lượng của nhiều lớp graphene-h-BN<br /> hexagonal boron nitride đã được tối ưu trong tất cả các trường hợp có và không có<br /> hóa trong từng trường hợp cụ thể để đạt sự hiệu chỉnh tương tác van-der-Waals. Kết<br /> được giá trị nhỏ nhất về năng lượng và tính quả tính toán cho thấy năng lượng liên kết<br /> ổn định cấu trúc. Kết quả tính toán cho giữa các lớp tăng thêm 30% trong trường<br /> thấy khoảng cách giữa các lớp graphene và hợp có hiệu chỉnh tương tác van-der-<br /> h-BN phụ thuộc vào dạng định hướng của Waals. Khoảng cách giữa các lớp d giảm<br /> graphene và h-BN, kết quả này minh họa 1% và giá trị mức thế năng hóa học μ tăng<br /> cụ thể trên hình 6. So với khoảng cách giữa lên 1%. Phổ năng lượng electron  (k) và<br /> các lớp graphene tinh khiết d = 3.33 Å thì mật độ trạng thái  ( ) cũng như quang<br /> giá trị khoảng cách giữa các lớp graphene<br /> phổ hấp thụ  (  ) không thay đổi.<br /> và h-BN trong trường hợp CC / N B ;<br /> Trên hình 7 thể hiện phổ năng lượng<br /> CC / BN / CC ; N B / CC / N B ; electron của graphene, h-BN và hỗn hợp<br /> CC / N B / CC / N B không thay đổi nhiều d graphene-h-BN. Tính toán cho thấy sự hình<br /> = 3.31 Å. Trong các trường hợp còn lại thì thành cấu trúc graphene-h-BN xen kẽ nhau<br /> giá trị khoảng cách giữa các lớp tăng từ từ các đơn lớp graphene và h-BN có lợi<br /> 3.47 ÷ 3.52 Å. Tất cả các trường hợp trên, hơn về năng lượng. Giá trị năng lương có<br /> giá trị khoảng cách giữa các lớp cạnh nhau lợi này nhận được là ∆Е ≈ 0.13 eV, được<br /> trong một cấu trúc có giá trị bằng nhau, tính cho một cặp nguyên tử (C-C)/(B-N).<br /> ngoại trừ trường hợp N B / CC / B N  , Điều này chứng tỏ sự hình thành cấu trúc<br /> graphene-h-BN xen kẽ nhau từ các đơn lớp<br /> trong đó d ( N B)  (CC ) = 3.33 Å và graphene và h-BN sẽ là một cấu trúc bền<br /> d (CC )  ( B N ) = 3.51 Å. và ổn định.<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 7. Sơ đồ vùng năng lượng và mật độ trạng thái của electron tự do trong: a) graphene;<br /> b) hexagonal boron nitride; c) hỗn hợp graphene-hexagonal boron nitride.<br /> <br /> Mức thế năng hóa học μ, đặc trưng Trong trường hợp đa lớp, nếu lớp graphene<br /> cho công thoát nhiệt động của electron lớp ở bên ngoài thì giá trị thế năng hóa học<br /> ngoài cùng (khả năng bức xạ electron), có giảm    3.62   3.91 eV, nếu lớp<br /> giá trị là   3.65 eV cho graphene đơn hexagonal boron nitride ở ngoài thì<br /> lớp và   2.9 eV cho h-BN đơn lớp.    3.94   4.21 eV. Nhận thấy rằng<br /> <br /> 40<br /> mức thế năng hóa học giảm cùng với sự có rằng phổ năng lượng electron của nhiều lớp<br /> lợi về năng lượng khi hình thành cấu trúc graphene-h-BN (hình 7c) là tổng hợp phổ<br /> graphene-h-BN sẽ làm tăng lên công thoát năng lượng của đơn lớp graphene và h-BN.<br /> của electron. Kết quả tính toán cho thấy<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 8. Sơ đồ vùng năng lượng của tất cả các khả năng định hướng cấu trúc của hỗn hợp<br /> graphene-boron nitride tại điểm K của vùng Brillouin: a) hai lớp; b) ba lớp; c) bốn lớp.<br /> <br /> Sự hình thành tổ hợp cấu trúc NB / CC / BN ; CC / BN / CC / BN ;<br /> graphene-h-BN trong đó các lớp graphene ; CC / N B / CC / N B<br /> CC / BN  /C C  / B N <br /> không có vùng cấm năng lượng và h-BN thì thiếu vắng khe năng lượng (hình 8).<br /> có vùng cấm năng lượng lớn, cùng với sự Những giá trị nhận được của việc tính toán<br /> tương tác van-der-Waals làm xuất hiện khe trên phù hợp với kết quả của tác giả trong<br /> năng lượng cỡ 0.01 ÷ 0.05 eV với cấu trúc bài báo [15], trong đó tác giả đã sử dụng lý<br /> CC / BN ; CC / B N  ; CC / N B  ; thuyết phiếm hàm mật độ (DFT) với xấp xỉ<br /> B N  / CC / B N  ; N B / CC / N B . mật độ địa phương (LDA) để nghiên cứu<br /> Đối với cấu trúc BN / CC / BN ; các đặc tính tương tác một lớp graphene<br /> trên bề mặt tinh thể hexagonal boron<br /> N B / CC / B N  thì khe năng lượng đạt<br /> nitride. Tuy nhiên sự hình thành khe cấm<br /> được 0.05 ÷ 0.1 eV. Ngoài ra các cấu trúc có lớp năng lượng khá nhỏ cũng cần tính đến ảnh<br /> graphene ở bên ngoài như: CC / BN / CC ; hưởng do sự hạn chế trong lý thuyết phiếm<br /> CC / N B / CC ; CC / BN / CC ; hàm mật độ và hệ quả của quá trình tự hợp<br /> <br /> 41<br /> sẽ làm dịch chuyển vùng dẫn xuống giá trị 5. Kết luận<br /> thấp hơn. Thực hiện tính toán phổ năng lượng<br /> electron của cấu trúc đa lớp graphene-h-BN<br /> xen kẽ nhau trên cơ sở lý thuyết phiếm hàm<br /> mật độ có hiệu chỉnh tương tác van-der-<br /> Waals cho thấy rằng cấu trúc này bền và ổn<br /> định. Sự dịch chuyển mức thế năng hóa học<br /> µ về phía năng lượng thấp hơn của cấu trúc<br /> graphene-h-BN hình thành từ các đơn lớp<br /> sẽ làm giảm khả năng bức xạ electron của<br /> cấu trúc đó. Khe vùng cấm năng lượng xuất<br /> hiện hoặc thiếu vắng trong cấu trúc<br /> graphene-h-BN và phụ thuộc vào dạng định<br /> hướng của các lớp. Quang phổ hấp thụ và<br /> cường độ hấp thụ photon của graphene-h-<br /> BN phụ thuộc vào số lượng lớp và dạng<br /> định hướng của các lớp. Kết quả nghiên<br /> cứu giúp các nhà khoa học định hướng<br /> trong tìm kiếm vật liệu mới ứng dụng trong<br /> kỹ thuật nano và micro tương lai.<br /> <br /> Hình 9. Quang phổ hấp thụ của TÀI LIỆU THAM KHẢO<br /> graphene-hexagonal boron nitride a)<br /> 1. Novoselov K. S (2005), “Two-dimensional<br /> (CC ) /( BN ) ; b) (CC ) /( BN ) /(CC ) ; c) gas of massless Dirac fermions in graphene”,<br /> ( NB) /(CC ) /( BN ) ; e) (CC) /( BN ) /(CC) /( BN ) ; Nature, Vol. 438, 197-200.<br /> ô hình chữ nhật là vùng ánh sáng thấy được. 2. Geim A. K., Novoselov K. S. (2007), “The<br /> Trên hình 9 thể hiện quang phổ hấp rise of graphene”, Nature Materials. Vol .6,<br /> thụ của nhiều lớp graphene-hexagonal 183-191.<br /> boron nitride trong dải năng lượng photon 3. Ariel Ismach [et al.] (2012), “Toward the<br />   14 eV . Quang phổ hấp thụ này là kết Controlled Synthesis of Hexagonal Boron Nitride<br /> quả của sự hấp thụ và dịch chuyển electron Films”, ACS. Nano, Vol. 6, (7), 6378-6385.<br /> từ vùng hóa trị 2pN,C đến vùng dẫn có năng 4. By Yanwu Zhu, Shanthi Murali, Weiwei Cai<br /> lượng electron ε > µ. Quang phổ hấp thụ [et al.] (2010), “Graphene and Graphene<br /> của graphene-hexagonal boron nitride là sự Oxide: Synthesis, Properties, and<br /> kết hợp của quang phổ hấp thụ của Applications”, Advanced Materials, Vol. 22,<br /> graphene và h-BN đơn lớp, trong đó các 3906–3924.<br /> điểm cực đại của quang phổ dịch chuyển 5. S. Bae [et al.] (2010), “Roll-to-roll production<br /> phụ thuộc vào số lượng lớp graphene và h- of 30-inch graphene films for transparent<br /> BN. Vùng hấp thụ năng lượng photon của electrodes”, Nature Nanotechnology, Vol. 5,<br /> graphene-h-BN mạnh nhất là trong vùng 574-578.<br /> hồng ngoại có năng lượng   1.7 eV , và 6. Vladimir Volman [et al.] (2014),<br /> cả trong vùng ánh sáng thấy được. Vì vậy “Radiofrequency Transparent, Electrically<br /> vật liệu graphene-h-BN có tiềm năng trong Conductive Graphene Nanoribbon Thin Films<br /> việc sử dụng để chế tạo các linh kiện điện as Deicing Heating Layers”, ACS. Appl.<br /> tử có độ nhạy sáng cao. Mater. Interfaces, Vol. 6. (1), 298-304.<br /> <br /> 42<br /> 7. Martin R.M (2004), “Electronic Structure. Pseudopotentials, Physical Review Letters,<br /> Basic theory and practical methods”, New Vol. 48 (20), 1425–1428.<br /> York: Cambridge University Press, 624 p. 13. Sedelnikova O. V, Bulusheva L. G.,<br /> 8. Soler J.M. [et al.] (2002), “The SIESTA Okotrub A. V. (2011), “Ab initio study of<br /> method for ab initio order-N materials dielectric response of rippled graphene”,<br /> simulation”, Journal of Physics Condensed The Journal of Chemical Physics, Vol. 134,<br /> Matter, Vol. 14, 2745–2779. 244707.<br /> 9. Perdew J.P., Burke K., Ernzerhof M. (1996), 14. Giancarlo Cappellini, Guido Satta (2001),<br /> “Generalized Gradient Approximation Made “Optical properties of BN in cubic and<br /> Simple”, Physical Review Letters, Vol. 77. layered hexagonal phases”, Physical Review<br /> (18), 3865–3868. B, Vol. 64, 035104.<br /> 10. M. Dion [et al.] (2004), “Van der Waals 15. Gianluca Giovannetti [et al.] (2007),<br /> Density Functional for General “Substrate-induced band gap in graphene on<br /> Geometries”, Physical Review Letters, Vol. hexagonal boron nitride: Ab initio density<br /> 92 (24), 246401. functional calculations”, Physical Review B,<br /> 11. Troullier N., Martins J.L. (1991), “Efficient Vol. 76, 073103.<br /> pseudopotentials for plane-wave 16. А.О. Litinskii, Ta Dinh Hien (2011),<br /> calculations”, Physical Review B, Vol. 43 “Energy spectrum of electrons in multilayer<br /> (3), 1993–2006. graphenes doped with atoms of alkaline<br /> 12. Kleinman L., Bylander D.M. (1982), metals”. Nanotechnologies in Russia. V.7,<br /> “Efficacious Form for Model (3-4),140-148.<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Ngày nhận bài: 21/4/2015 Biên tập xong: 20/6/2015 Duyệt đăng: 25/6/2015<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> 43<br />