Luận án Nghiên cứu tính chất điện tử của vật liệu hai chiều monochalcogenide

Tên luận án:

NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT ĐIỆN TỬ CỦA VẬT LIỆU HAI CHIỀU MONOCHALCOGENIDE

Ngành:

Vật lý lý thuyết và vật lý toán

Tóm tắt nội dung tài liệu:

Luận án này tập trung nghiên cứu tính chất điện tử của vật liệu hai chiều monochalcogenide nhóm III và các cấu trúc Janus dựa trên chúng, nhằm khắc phục những hạn chế của graphene và khám phá các vật liệu mới với đặc trưng độc đáo. Mục tiêu chính là sử dụng lý thuyết phiếm hàm mật độ (DFT) để khảo sát các tính chất điện tử của vật liệu hai chiều đơn lớp monochalcogenide nhóm III MX (M = Ga, In; X = S, Se, Te) và các cấu trúc bất đối xứng Janus như M2XY và GaInXO. Các nghiên cứu bao gồm đặc trưng cấu trúc, độ bền vững, ảnh hưởng của biến dạng cơ học và điện trường ngoài, công thoát, và độ linh động của điện tử.

Kết quả cho thấy các đơn lớp monochalcogenide nhóm III MX bền vững về mặt cơ học và động học. Ở trạng thái cân bằng, chúng đều là bán dẫn có vùng cấm xiên (1,25 eV đến 2,38 eV), với hiệu ứng tương tác spin-quỹ đạo (SOC) tương đối nhỏ. Biến dạng cơ học làm thay đổi đáng kể cấu trúc vùng năng lượng điện tử và độ rộng vùng cấm, thậm chí gây ra chuyển pha từ bán dẫn vùng cấm xiên sang thẳng trong InSe.

Đối với vật liệu Janus M2XY (M = Ga, In; X/Y = S, Se, Te; X ≠ Y), chúng có cấu trúc bền vững và là bán dẫn với vùng cấm có thể là thẳng hoặc xiên. Hiệu ứng SOC có ảnh hưởng đáng kể, làm thay đổi độ rộng vùng cấm và gây tách mức năng lượng. Tính chất điện tử của M2XY cũng thay đổi đáng kể dưới tác động của biến dạng và điện trường ngoài, với các chuyển pha từ bán dẫn vùng cấm xiên sang thẳng được quan sát.

Các cấu trúc Janus GaInXO (X = S, Se, Te) có thể là bán dẫn hoặc kim loại. Cấu trúc bất đối xứng tạo ra điện trường nội tại, dẫn đến công thoát điện tử khác nhau ở hai bề mặt. Điện tử trong GaInXO có độ linh động cao, lớn hơn nhiều so với lỗ trống, cho thấy tiềm năng ứng dụng trong các thiết bị quang điện tử kích thước nano. Luận án góp phần hoàn thiện hiểu biết về tính chất điện tử của các vật liệu này, cung cấp thông tin định hướng cho nghiên cứu tương lai.

Mục lục chi tiết:

• PHẦN MỞ ĐẦU

  • 1. Tính cấp thiết của đề tài
  • 2. Mục tiêu nghiên cứu
  • 3. Đối tượng và nội dung nghiên cứu
  • 4. Phương pháp nghiên cứu
  • 5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
  • 6. Bố cục của luận án

• PHẦN NỘI DUNG

  • Chương 1: TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU HAI CHIỀU CÓ CẤU TRÚC LỚP VÀ LÝ THUYẾT PHIẾM HÀM MẬT ĐỘ

    • 1.1. Graphene và các cấu trúc hai chiều tương tự graphene
    • 1.2. Các hợp chất kim loại chuyển tiếp dichalcogenide
    • 1.3. Vật liệu hai chiều monochalcogenide
    • 1.4. Cấu trúc hai chiều bất đối xứng Janus
    • 1.5. Lý thuyết phiếm hàm mật độ
    • 1.5.1. Các định lý Hohenberg-Kohn
    • 1.5.2. Phương trình Kohn-Sham
    • 1.5.3. Các phiếm hàm trao đổi tương quan
    • 1.6. Lý thuyết phiếm hàm mật độ trong Quantum Espresso
    • 1.7. Kết luận chương 1

  • Chương 2: TÍNH CHẤT ĐIỆN TỬ CỦA VẬT LIỆU HAI CHIỀU MONOCHALCOGENIDE NHÓM III

    • 2.1. Giới thiệu
    • 2.2. Phương pháp tính toán
    • 2.3. Cấu trúc nguyên tử và tính chất cấu trúc của đơn lớp monochalcogenide nhóm III MX (M = Ga, In; X = S, Se, Te)
    • 2.3.1. Cấu trúc nguyên tử
    • 2.3.2. Phổ phonon
    • 2.4. Hệ số đàn hồi và độ bền cơ học
    • 2.5. Tính chất điện tử của đơn lớp monochalcogenide nhóm III MX
    • 2.5.1. Thế tĩnh điện và công thoát điện tử
    • 2.5.2. Cấu trúc vùng năng lượng điện tử
    • 2.5.3. Hiệu ứng tương tác spin-quỹ đạo
    • 2.5.4. Mật độ trạng thái
    • 2.6. Tính chất điện tử của đơn lớp monochalcogenide nhóm III MX biến dạng
    • 2.6.1. Mô hình biến dạng và sự thay đổi cấu trúc do biến dạng
    • 2.6.2. Ảnh hưởng của biến dạng lên cấu trúc vùng năng lượng
    • 2.7. Kết luận chương 2

  • Chương 3: VẬT LIỆU HAI CHIỀU BẤT ĐỐI XỨNG JANUS MONOCHALCOGENIDE NHÓM III

    • 3.1. Vật liệu Janus hai chiều
    • 3.2. Cấu trúc nguyên tử của vật liệu hai chiều đơn lớp Janus monochalcogenide nhóm III M2XY (M = Ga, In; X/Y = S, Se, Te; X ≠ Y)
    • 3.3. Phổ phonon và sự ổn định nhiệt
    • 3.3.1. Phổ phonon và các đặc trưng dao động mạng của Janus M2XY đơn lớp
    • 3.3.2. Độ ổn định nhiệt
    • 3.4. Tính chất điện tử của các đơn lớp Janus M2XY
    • 3.5. Ảnh hưởng của biến dạng và điện trường ngoài lên tính chất điện tử của Janus M2XY
    • 3.5.1. Tính chất điện tử của Janus M2XY biến dạng
    • 3.5.2. Janus M2XY trong điện trường
    • 3.6. Kết luận chương 3

  • Chương 4: OXY HÓA VẬT LIỆU HAI CHIỀU JANUS MONOCHALCOGENIDE NHÓM III

    • 4.1. Sự đa dạng của vật liệu Janus hai chiều
    • 4.2. Các đặc trưng về cấu trúc của Janus GaInXO
    • 4.2.1. Cấu trúc nguyên tử
    • 4.2.2. Năng lượng cố kết
    • 4.3. Phổ phonon và độ bền cơ học
    • 4.4. Các đặc trưng của điện tử trong Janus GaInXO đơn lớp
    • 4.5. Độ linh động của hạt tải
    • 4.6. Triển vọng của vật liệu bất đối xứng Janus hai chiều
    • 4.7. Kết luận chương 4

• KẾT LUẬN CHUNG

• Danh mục các công trình khoa học đã công bố liên quan đến kết quả nghiên cứu của luận án