Sự ổn định cấu trúc và tính chất điện tử của dải nano silicon dicarbide
ngũ giác biên răng cưa sai hỏng khuyết
Nguyễn Thành Tiên1*, Lê Nhật Thanh1, Ngô Vũ Hảo1 , và Võ Văn Ớn2
1
2

Khoa Khoa học Tự nhiên - Trường Đại học Cần Thơ

Viện phát triển ứng dụng - Trường Đại học Thủ Dầu Một
*Corresponding at

TÓM TẮT
Trong bài báo này, sự ổn định cấu trúc, tính chất điện tử của các dãy nano silicon dicarbide (pSiC2) dạng ngũ giác biên răng cưa sai hỏng khuyết (DSS-p-SiC2NRs) được nghiên cứu bằng
cách tính năng lượng liên kết, phổ phonon, cấu trúc vùng điện tử và hàm sóng bloch bởi phương
pháp nguyên lý ban đầu. Bốn kiểu khuyết được khảo sát trong nghiên cứu này là khuyết đơn
nguyên tử C1 (lai hóa sp3), C2 (lai hóa sp2), khuyết đồng thời hai nguyên tử C2 và khuyết
nguyên tử C1 và nguyên tử C2. Hai vị trí khuyết được nghiên cứu là khuyết biên và khuyết trong
lõi cấu trúc. Kết quả nghiên cứu cho thấy DSS-p-SiC2NRs chỉ ổn định khi khuyết tồn tại bên
trong. Cấu trúc vùng điện tử DSS-p-SiC2NRs có tồn tại các trạng thái khuyết trong vùng cấm thể
hiện sự định xứ mạnh điện tử. Kết quả nghiên cứu này cung cấp thông tin quan trọng cho việc
hiểu đầy đủ về cấu trúc thực để có thể phát triển ứng dụng DSS-p-SiC2NRs trong lĩnh vực quang
điện tử.
Từ khóa: dải nano silicon dicarbide dạng ngũ giác, nguyên lý ban đầu, sai hỏng, phổ phonon,
tính chất điện tử.

Structural stability and electronic properties of pentagonal SiC2
nanoribbons with defected sawtooth edges
Nguyễn Thành Tiên1*, Lê Nhật Thanh1, Ngô Vũ Hảo1, và Võ Văn Ớn2
1
2

College of Natural Sciences – Can Tho University

Institute of Applied Technology, Thu Dau Mot University

ABSTRACTS
In this paper, structural stability and electronic properties of the pentagonal silicon dicarbide
nanoribbons (p-SiC2) with sawtooth edge defected (DSS-p-SiC2NRs) are investigated through
30


the binding energies, phonon spectrum, band structure, and Bloch wavefunction under the firstprinciples calculations. The four kinds of defects are studied, including single C1 (sp3
hybridization), C2 (sp2 hybridization), double C2, and C1 and C2. The two points of defects
studied are the edge defects and center defects. Results show that the DSS-p-SiC2NRs are only
stabilized when the defects exist at center sites. The electronic band structure of the DSS-pSiC2NRs shows the defected states in the bandgap region, exhibiting the strong localization of
electrons. The results in this study can provide the full information on the structural and
electronic properties of the DSS-p-SiC2NRs that can apply in future optoelectronic properties.
Keywords: pentagonal SiC2 nanoribbons, DFT, defects, phonon spectrum, and electronic
properties.

1. Giới thiệu
Gần đây, Penta-Graphene (PG), một cấu trúc các nguyên tử C đơn lớp xếp hình ngũ giác đã
được đề xuất. Cấu trúc PG là tổ hợp của các nguyên tử C1 (lai hóa sp3) và các nguyên tử C2 (lai
hóa sp2) [1]. Các nghiên cứu tiên đốn PG là một bán dẫn có vùng cấm gián tiếp với độ rộng
vùng cấm là 3.25 eV [2, 3]. Bên cạnh đó, các nghiên cứu này cũng tiên đốn rằng PG có hệ số
Poisson âm bất thường, độ bền siêu cao và khả năng chịu được nhiệt cao tới 1000 K, vượt trội so
với Graphene. Vào năm 2016, Xia và cộng sự sử dụng phương pháp lắng động hóa pha hơi đã
khẳng định rằng họ có thể ni định hướng lớp PG lớn trên lá Cu [4]. Tiếp theo sau nhiều vật
liệu cấu trúc đơn lớp dạng ngũ giác đã được đề xuất và tổng hợp thành công, ví dụ như:
pentagonal silicon dicarbide (p-SiC2) and pentagonal carbon nitride (p-CN2) [5].
Nhằm mục đích giảm kích thước linh kiện, tấm PG được cắt thành các cấu trúc giả một chiều

được gọi là Penta-Graphene nanoribbon (PGNR). PGNR có 4 loại: ZZ, AA, ZA, SS. Trong đó,
SS là loại đáng chú ý nhất khơng chỉ bởi vì nó là bán dẫn mà cịn vì nó là cấu trúc bền nhất trong
bốn loại PGNR. Sự hấp phụ các phân tử khí CO, CO2, NH3 trên bề mặt cấu trúc này được nghiên
cứu, xác định được đặc tính hấp phụ của chúng [6]. Nghiên cứu tính chất vận chuyển điện tử của
SSPGNR pha tạp thay thế (Si, P, N) và điều chỉnh biên cấu trúc đã được thực hiện, kết quả cho
thấy cấu trúc vùng năng lượng và đặc trưng I-V của N:SSPGNR thay đổi đáng kể so với mẫu
nguyên sơ [7, 8].

31


Bằng việc tính tốn dựa trên lý thuyết phiếm hàm mật độ, chúng tơi đã nghiên cứu một cách
có hệ thống sự ổn định cấu trúc và đặc tính điện tử của các dãy nano p-SiC2 dạng ngũ giác (pSiC2NRs). Chúng tôi ghi nhận rằng p-SiC2NRs ổn định cấu trúc nhưng bị vênh. Trong bốn dạng
cấu trúc p-SiC2NRs (ZZ, ZA, AA và SS) thì cấu trúc SS-p-SiC2NRs được xác định ổn định nhất
về mặt nhiệt học và động lực học và có tính bán dẫn [9].
Tuy nhiên, ta biết rằng, các cấu trúc thấp chiều nói chung dễ bị sai hỏng khuyết khi tổng hợp
chúng [10, 11, 12]. Vì thế, việc nghiên cứu sự ổn định cấu trúc và đặc tính điện tử của các cấu
trúc khuyết là rất cần thiết, có thêm thơng tin về cấu trúc thực. Trong nghiên cứu này, dựa trên
cơ sở lý thuyết phiếm hàm mật độ, sự tồn tại và đặc tính điện tử của các SS-p-SiC2NR sai hỏng
khuyết được nghiên cứu.

2. PHƯƠNG PHÁP
Sự ổn định cấu trúc và đặc tính điện tử của các mẫu SS-p-SiC2NR khuyết được nghiên cứu
bằng phương pháp nguyên lý ban đầu dựa trên lý thuyết phiếm hàm mật độ DFT [13]. Chúng tơi
nghiên cứu mẫu có độ rộng năm chuỗi được cắt theo biên răng cưa. Các mẫu SS-p-SiC2NR với
các vị trí khuyết khác nhau được tối ưu bằng cách sử dụng tính tốn DFT trong phép tính gần
đúng gradient tổng quát (GGA) của Perdew-Burke-Ernzerhof (PBE) [14] trong gói phần mềm
Castep để tìm được các cấu trúc ổn định. Số k-point trong vùng Brillouin được chọn là 1x1x5 lần
lượt theo ba phương x, x, z với năng lượng cutoff là 680 eV và nhiệt độ động học của hệ điện tử
là 300 K. Trong quá trình tối ưu, tiêu chí hội tụ về lực và ứng suất tối đa có giá trị lần lượt là

0,05 eV/Å và 0,1 Gpa. Tiếp theo các tính chất điện tử cũng được thực hiện trong gói phần mềm
này với máy tính hiệu năng cao.

3. Kết quả và thảo luận
3.1. Sự ổn định cấu trúc-phổ phonon
Các mẫu SS-p-SiC2NR có độ rộng năm chuỗi được khảo sát ở hai vị trí khuyết (biên và vùng
lõi cấu trúc) với bốn kiểu khuyết: i) khuyết đơn một nguyên tử lai hóa sp2: nguyên tử C, ii)
khuyết đơn một nguyên tử lai hóa sp3: nguyên tử Si, iii) khuyết hai nguyên tử C, iv) khuyết đồng
thời nguyên tử C và Si. Hình 1 trình bày các kết quả tối ưu mẫu SS-p-SiC2NR khuyết biên.

32


a)
b)

d)

c)

Hình 1. Mơ hình SS-p-SiC2NR khuyết biên với hai hướng quan sát: a) C (sp2), b) Si (sp3), c) 2C và d)
C+Si

Kết quả nghiên cứu xác nhận rằng, khuyết biên có thể tồn tại với bốn kiểu khuyết nhưng cấu trúc
giả ổn định thơng qua việc tính năng lượng liên kết theo cơng thức (1) và tính phổ phonon.

Eb =

Etot − N Si ESi − NC EC − N H EH
N Si + NC + N H


Trong đó 𝐸𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 , 𝐸𝑆𝑖 , 𝐸𝐶 và 𝐸𝐻 lần lượt là tổng năng lượng của hệ, năng lượng của nguyên tử
Silic, Carbon, Hydro cô lập. NSi, NC và NH lần lượt là số nguyên tử Silic, Carbon và Hydro trong
hệ. Năng lượng liên kết càng nhỏ thì cấu hình khuyết tương ứng được xem là càng ổn định. Kết
quả tính năng lượng liên kết được trình bày trong Bảng 1.
Bảng 1. Năng lượng liên kết của các cấu trúc SS-p-SiC2NR khuyết biên

Kiểu khuyết

C (sp2)

Si (sp3)

2C

C+Si

Năng lượng liên kết (Eb)

-6,02

-6,05

-6,06

-6,12

Kết quả tính tốn cho thấy các mẫu khuyết đồng thời cả hai nguyên tử C và Si ở biên có năng
lượng liên kết thấp nhất, tức là ổn định nhất. Tuy nhiên, các kết quả tính phổ phonon thấy rằng


33


trong phổ phonon (hình 2) có tồn tại các dãy vùng năng lượng âm (tần số âm). Vì thế chúng tôi
xác nhận rằng các cấu trúc khuyết biên giả ổn định.

a)

b)

c)

d)

Hình 3. Phổ phonon của các cấu trúc SS-p-SiC2NR khuyết biên: a) C (sp2), b) Si (sp3), c) 2C và d) C+Si

Tương tự, chúng tôi cũng tiến hành khảo sát các mẫu khuyết trong vùng lõi với cấu trúc sau tối
ưu thể hiện ở hình 4.
a)

b)

c)

Hình 4. Mơ hình SS-p-SiC2NR trong vùng lõi với hai hướng quan sát: a) khuyết C, b) khuyết Si, c)
khuyết đồng thời 2C

34



Với cấu trúc khuyết trong vùng lõi, chúng tôi xác nhận rằng chỉ có ba mẫu tồn tại: khuyết C,
khuyết Si, khuyết đồng thời 2C. Đặc tính topo xung quanh vị trí khuyết là khác nhau với các kiểu
khuyết khác nhau. Mẫu khuyết Si và C không tồn tại. Với các mẫu tồn tại chúng tơi xác nhận
rằng nó ổn định, năng lượng liên kết trình bày ở bảng 2 và phổ phonon trình bày ở hình 5, hầu
như khơng tồn tại tần số dao động âm.
Bảng 2. Năng lượng liên kết của các cấu trúc SS-p-SiC2NR khuyết biên

Kiểu khuyết

C (sp2)

Si (sp3)

2C

Năng lượng liên kết (Eb)

-7,01

-6,92

-7,06

a)

b)

c)

d)


Hình 4. Phổ phonon của các cấu trúc SS-p-SiC2NR: a) không khuyết và khuyết lõi: b) C (sp2), c) Si (sp3),
và d) 2C.

3.2.

Tính chất điện tử

Để đánh giá sự ảnh hưởng của các loại khuyết khác nhau lên đặc tính điện tử của SS-p-SiC2NR
khuyết lõi, chúng tôi khảo sát cấu trúc vùng năng lượng của các DSS-p-SiC2NRs. Hình 5 mơ tả
cấu trúc vùng năng lượng của các mẫu p-SiC2NR khuyết lõi.

35


Hình 5. Cấu trúc vùng năng lượng của các cấu trúc DSS-p-SiC2NR: (a) C (sp2), b) Si (sp3), và c) 2C.
Đường không liền nét biểu diễn mức năng lượng Fermi

Kết quả cho thấy cấu trúc vùng năng lượng của các mẫu khuyết có tồn tại các mức năng
lượng khuyết trong vùng cấm. Điều này là do sự định xứ của điện tử xung quanh vị trí khuyết.
Các kết quả thu được tương tự như mẫu khuyết hai chiều [12]. Tuy nhiên, với các ribbon giả một
chiểu sự định xứ của điện tử mạnh hơn. Một đặc điểm đáng chú ý, các vùng con của các mẫu
khuyết quanh mức Fermi có dạng thẳng, điều này thể hiện hiệu ứng giam cầm điện tử định xứ
quanh vị trí khuyết, điện tử có năng lượng này thể hiện đặc tính giả khơng chiều. Vậy đặc tính
động học điện tử trong khoảng năng lượng lân cận năng lượng Fermi của các mẫu khuyết có tính
chất giả khơng chiều. Điều này hứa hẹn một số tính chất vật lý mới của mẫu khuyết so với mẫu
khơng khuyết.
Để minh họa hiện tượng này, chúng tơi tính và vẽ Bloch state ở các điểm Г và điểm Z
tương ứng với cự đại vùng dẫn và cực tiểu vùng hóa trị cho cấu trúc nguyên sơ và các cấu trúc
khuyết ở hình 6. Rõ ràng rằng, với cấu trúc khơng khuyết, khơng nhìn thấy hiện tượng định xứ

điện tử. Ngược lại, sự định xứ xảy ra với các cấu trúc khuyết. Hơn thế nữa dạng hàm bloch state
ở hai điểm Г và Z của các cấu trúc khuyết hoàn toàn đồng dạng. Điều này chứng tỏ rằng sự ổn
định trạng thái từ điểm Г đến Z thể hiện sự giam cầm điện tử mạnh.

36


Hình 6. Bloch state của cấu trúc SS-p-SiC2NR và các cấu trúc DSS-p-SiC2NR: (a) C (sp2), b) Si (sp3), và
c) 2C. Đẳng trị biểu thị là 0.0005.

4. Kết luận
Tóm lại, thông qua việc đánh giá sự ổn định cấu trúc và đặc tính điện tử của cấu trúc DSS-pSiC2NR khuyết ở các vị khác nhau và loại khác nhau bằng phương pháp nguyên lý ban đầu, dựa
trên lý thuyết phiếm hàm mật độ, tính trên máy tính hiệu năng cao. Kết quả cho thấy rằng DSSp-SiC2NR khuyết lõi tồn tại ổn định. Độ dài liên kết và góc liên kết ở tất cả các mẫu có sự thay
đổi đáng kể xung quanh vị trí khuyết, hình thành các topo khuyết khác nhau. Độ rộng vùng cấm
của các mẫu DSS-p-SiC2NR giảm so với các mẫu không khuyết. Đặc biệt, xuất hiện các vùng
con điện tử mới dạng thẳng trong vùng cấm lân cận mức Fermi. Kết quả nghiên cứu này định
hướng quan trọng cho việc xác định tính chất điện tử của cấu trúc SSPGNR khơng hồn hảo; từ
đó, định hướng cho việc phát triển các linh kiện quang điện tử dựa trên cấu trúc nghiên cứu.
Lời cảm ơn: Nghiên cứu này được tài trợ bởi Trường Đại học Thủ Dầu Một trong khuôn khổ đề
tài mã số DT.20.2-048.

TÀI LIỆU THAM KHẢO

37


[1] Zhang, S., Zhou, J., Wang, Q., Chen, X., Kawazoe, Y., & Jena, P. (2015). Penta-graphene: A
new carbon allotrope. Proceedings of the National Academy of Sciences, 112(8), 2372-2377.
[2] Wang, Z., Dong, F., Shen, B., Zhang, R. J., Zheng, Y. X., Chen, L. Y., ... & Su, W. S. (2016).
Electronic and optical properties of novel carbon allotropes. Carbon, 101, 77-85.

[3] Yu, Z. G., Zhang, Y. W. (2015). A comparative density functional study on electrical
properties of layered penta-graphene. Journal of Applied Physics, 118 (16), 165706.
[4] Xia K L, Artyukhov V I, Sun L F, Zheng J Y, Jiao L Y, Yakobson B I and Zhang Y Y,
(2016). Growth of large-area aligned pentagonal graphene domains on high-index copper
surfaces, Nano Research, 9, 2182–9.
[5] Berdiyorov, G. R., & Madjet, M. E. A. (2016). First-principles study of electronic transport
and optical properties of penta-graphene, penta-SiC2 and penta-CN2. Rsc Advances, 6(56),
50867-50873.
[6] Nguyễn Thành Tiên & Trần Yến Mi. (2020). Nghiên cứu hiện tượng hấp phụ phân tử khí trên
dãy nano Penta-graphene dạng răng cưa. Can Tho University Journal of Science, 56(2), 21-29.
[7] Tien, N. T., Thao, P. T. B., Phuc, V. T., & Ahuja, R. (2019). Electronic and transport features
of sawtooth penta-graphene nanoribbons via substitutional doping. Physica E: Low-dimensional
Systems and Nanostructures, 114, 113572.
[8] Tien, N. T., Thao, P. T. B., Phuc, V. T., & Ahuja, R. (2020). Influence of edge termination on
the electronic and transport properties of sawtooth penta-graphene nanoribbons. Journal of
Physics and Chemistry of Solids, 146, 109528.
[9] Mi, T. Y., Khanh, N. D., Ahuja, R., & Tien, N. T. (2021). Diverse structural and electronic
properties of pentagonal SiC2 nanoribbons: A first-principles study. Materials Today
Communications, 26, 102047.
[10] Banhart, F., Kotakoski, J., & Krasheninnikov, A. V. (2011). Structural defects in
graphene. ACS nano, 5(1), 26-41.
[11] Han, T., Wang, X., Zhang, X., Scarpa, F., & Tang, C. (2021). Mechanics of penta-graphene
with vacancy defects under large amplitude tensile and shear loading. Nanotechnology, 32(27),
275706.
[12] Lima, K. A. L., Júnior, M. L. P., Monteiro, F. F., Roncaratti, L. F., & Júnior, L. A. R.
(2021). O2 adsorption on defective Penta-Graphene lattices: A DFT study. Chemical Physics
Letters, 763, 138229.
[13] Kohn, W., & Sham, L. J. (1965). Self-consistent equations including exchange and
correlation effects. Physical review, 140 (4A), A1133.
[14] Perdew, J. P., Burke, K., & Ernzerhof, M. (1996). Generalized gradient approximation made

simple. Physical review letters, 77(18), 3865.
38