Nghiên cứu các tính chất cấu trúc, điện tử và từ tính của dải nano
silicene 1D cạnh ghế bành hấp phụ nguyên tử hydro
Huynh Nhu1, Tran Trung Nghia1, Nguyen Thanh Phuong2, Nguyen Duy Khanh1,2,*
1
2

Viện Phát triển Ứng dụng, Đại học Thủ Dầu Một

Trung tâm Công nghệ thông tin, Đại học Thủ Dầu Một
Corresponding at

TĨM TẮT
Các tính chất cấu, điện tử và từ tính của dải nano silicene 1D cạnh nghế bành (ASiNR) hấp phụ
đơn nguyên tử flo (F) là được nghiên cứu bằng các tính tốn lý thuyết phiếm hàm mật độ (DFT).
Thơng qua các tính tốn DFT, các đại lượng vật lý được phát triển để nghiên cứu các tính chất
cấu trúc và điện tử bao gồm năng lượng hấp phụ, các thơng số mạng tối ưu hóa, cấu trúc vùng
điện tử, mật độ trạng thái và phân bổ mật điện tích. Nguyên tử F hấp phụ tối ưu nhất tại vị top
bất kể nồng độ và phân bố nguyên tử. Năng lượng hấp phụ được đã tính được là khoảng -5 eV
rất lớn thuộc về hấp phụ hóa học. Điều này dẫn đến các cấu trúc hấp phụ là rất bền. Độ dài liên
kết F-Si được tạo thành là rất lớn hơn Si-Si. Do vậy, khi hấp phụ 1 ngun tử F thì độ mấp mơ
cấu trúc sẽ được tăng cường đáng kể trong các cấu trúc hấp phụ. ASiNR nguyên sơ có độ rộng
vùng cấm là 0.26 eV. Khi hấp phụ 1 nguyên tử F thì cấu trúc hấp phụ này trở thành kim loại sắt
từ kiểu p với nồng độ lỗ trống rất cao và kim loại sắt từ này sẽ trở thành các bán dẫn khơng từ
tính với độ rộng vùng cấm lớn khoảng 2.18 eV khi hấp phụ 100% F. Các tính chất điện tử và từ
tính đa dạng này sẽ rất tiềm năng cho các ứng dụng điện tử và điện tử spin hiệu năng cao trong
tương lai.
Từ khóa: silicene, các dải silicene 1D, năng lượng hấp phụ, tính chất điện tử, cấu hình từ tính và
tính tốn DFT.

Structural, electronic, and magnetic properties of hydrogen-adsorbed
armchair silicene nanoribbons

Huynh Nhu1, Tran Trung Nghia1, Nguyen Thanh Phuong2, Nguyen Duy Khanh1,2,*
1

Institute of Applied Technology, Thu Dau Mot University
193


2

Information Technology Center, Thu Dau Mot University

ABSTRACTS
Structural, electronic, and magnetic properties of fluorine-adsorbed armchair silicene
nanoribbons (ASiNR) are studied through the density functional theory (DFT) calculations. The
physical quantities to determine the essential properties are fully developed under the DFT
calculations, including the adsorption energies, optimal lattice parameters, electronic band
structrures, density of states, charge density distributions, magnetic moments, and spin density
distributions. The fluorine atoms are optimally adsorbed at the top site of ASiNR, regardless of
adatom concentrations and distributions. The adsorption energies are achieved about -5 eV that is
large enough to create the stable structure, belonging to the chemical adsorption. The F-Si bonds
are very stronger than the Si-Si bonds, causing higher buckling in the F-adsorbed systems. The
pristine ASiNR has the direct bandgap of 0.26 eV. Under the single F adsorptions, it becomes the
ferromagnetic p-type metals with high free hole density. The ferromagnetic p-type metals will
become the nonmagnetic semiconductor with large bandgap of 2.18 eV. The diverse electronic
and magnetic properties of F-adsorbed ASiNR will be very potetential for applications in highperformance electronic and spinstronic devices.
Keywords: silicene, silicene nanoribbons, adsorption energy, electronic properties, magnetic
configurations, and DFT calculations.

1. Giới thiệu
Silicon (Si) là một nguyên tố thuộc nhóm IV có cấu hình electron đặc biệt có thể tồn tại ở

nhiều dạng thù hình khác nhau ở nhiều kích thước khác nhau. Tương tự như sự phát triển của các
vật liệu dựa trên carbon (C), các dạng thù hình khối 3D [1], một chiều (1D) [2] và không chiều
(0D) [3] của Si đã sớm được phát hiện, trong đó cấu trúc khối 3D của Si được biết đến là thành
phần chính trong các linh kiện bán dẫn. Các dạng thù hình thấp chiều của Si như các ống nano
1D [4] và fullerene 0D [5] cũng đã được phát hiện từ rất sớm; trong khi cấu trúc 2D cơ bản của
Si chỉ được dự đoán vào năm 1994 [6]. Cấu trúc Si 2D này chỉ mới thu hút được nhiều sự chú ý
kể từ khi sự tổng hợp thành công lần đầu tiên của graphene 2D vào năm 2004. Cấu trúc Si 2D
này được gọi là silicene và được biết đến như là vật liệu 2D giống graphene. Silicene có cấu trúc
mạng tinh thể lục giác mấp mô thấp với cơ chế lai hóa quỹ đạo hỗn hợp sp2/sp3. Cơ chế lai hóa
194


quỹ đạo hỗn hợp sp2/sp3 này chỉ ra rằng sự phân tách các liên kết σ và π trong silicene là tương
đối yếu so với cơ chế lai hóa sp2 của graphene mặc dù cả silicene và graphene đều có cấu trúc
hình nón Dirac được tạo thành từ các quỹ đạo pz trong năng lượng vùng thấp. Về mặt thực
nghiệm, silicene chỉ có thể được tổng hợp thơng qua phương pháp ni epitaxy từ dưới lên
(bottom-up) vì ngun tố Si không tồn tại cấu trúc xếp lớp trong tự nhiên như graphite [7].
Silicene sở hữu nhiều tính chất vật lý mới rất tiềm năng cho nhiều ứng dụng như bóng bán dẫn
hiệu ứng trường (FET) dựa trên silicene hoạt động ở nhiệt độ phòng [8], cảm biến 2D [9] và thiết
bị lưu trữ năng lượng [10]. Bên cạnh đó, nhiều tính chất vật lý đặc khác của silicene cũng đã
được phát hiện bao gồm độ rộng vùng cấm lớn gây ra bởi sự bắt cập spin-quỹ đạo tại điểm Dirac
[11], hiệu ứng Hall spin lượng tử lớn [12], sự chuyển dời từ pha cách điện tôpô sang pha cách
điện vùng [13]. Các tính chất vật lý mới tiềm năng của silicene cho thấy rằng silicene có thể là
một ứng cử viên 2D đầy hứa hẹn để thay thế graphene bởi vì khơng chỉ do các tính chất 2D
giống graphene mà cịn khả năng tương thích tốt hơn với các thiết bị điện tử dựa trên Si. Tuy
nhiên, độ rộng vùng cấm nhỏ của silicene đã hạn chế tiềm năng của nó trong các ứng dụng điện
tử nano. Do đó, mở rộng độ rộng vùng cấm cho silicene đã trở thành một chủ đề nghiên cứu hấp
dẫn nhận được nhiều mối quan tâm gần đây. Nhiều phương pháp khác nhau đã được sử dụng để
tạo ra vùng cấm năng lượng trong silicene bao gồm giam cầm ở kích thước hữu hạn của tấm
nano silicene 2D [14], pha tạp nguyên tử [15], chức hóa bề mặt [16], cấu trúc xếp lớp khác nhau

[17], biến dạng cơ học [18] và áp các trường ngồi [19]; trong đó thay đổi hóa học là một trong
những phương pháp hiệu quả để làm giàu các đặc tính thiết yếu của silicene. Sử dụng các tính
tốn ngun lý ban đầu, sự hấp phụ các nguyên tử hydro và halogen trên silicene đã được nghiên
cứu chi tiết [20]. Ngồi ra, các vật liệu silicene khi bị halogen hóa đã được kiểm chứng bằng các
nghiên cứu kính hiển vi xuyên đường hầm ở nhiệt độ thấp (STM) [21]. Các cấu trúc silicene 2D
có độ vênh thấp khi hấp phụ các nguyên tử sẽ trở thành cấu trúc 2D có độ vênh cao hơn là do sự
biến dạng lớn của các liên kết π và sự suy yếu của liên kết σ.
Về khía cạnh hình học, phương pháp đơn giản và hiệu quả nhất để mở vùng cấm năng lượng
cho silicene là tạo ra sự giam cầm ở kích thước hữu hạn của silicene 2D. Sự giam cầm lượng tử
của silicene 2D sẽ hình thành nên các dải silicene 1D (SiNR) [22]. Sự giam cầm ở kích thước
hữu hạn cấu trúc silicene 2D tạo ra các dải silicene 1D với hai cấu trúc cạnh điển hình đó là ghế
bành (ASiNR) và zigzag (ZSiNR). Để giảm hiệu ứng lơ lửng dọc theo các cạnh của SiNR, các
loại nguyên tử khác nhau hoặc một nhóm nguyên tử đã được sử dụng để thụ động hóa các cạnh
195


bao gồm, sự thụ động hóa của hydro [23], halogen [24], oxy [25] và OH [26]. Cả hai cấu trúc
ASiNR và ZSiNR 1D đều thể hiện tính chất bán dẫn có độ rộng vùng cấm trực tiếp và độ rộng
vùng cấm này phụ thuộc mạnh vào độ rộng của dải nano 1D [27]. Mặt khác, ASiNR và ZSiNR
sở hữu các cấu hình từ tính khác nhau do sự định hướng spin khác nhau của các nguyên tử Si ở
các cạnh. ASiNR là vật liệu bán dẫn khơng từ tính, trong khi đó ZSiNR là chất bán dẫn phản sắt
từ [28]. Độ rộng vùng cấm được mở ra của SiNR 1D là lợi thế lớn để khắc phục trở ngại chính
trong silicene 2D cho các ứng dụng trong thiết bị điện tử. Bên cạnh đó, cấu hình từ tính độc đáo
của ZSiNR 1D có thể là vật liệu rất tiềm năng cho các thiết bị điện tử spin. Song song với việc
tổng hợp SiNR 1D bằng phương pháp từ trên xuống (top-down) của silicene 2D, phương pháp
tổng nuôi epitaxy từ dưới lên (bottom-up) cũng là phương pháp hiệu quả để tổng hợp SiNR 1D
với độ chính xác ở cấp độ nguyên tử, trong đó SiNR 1D được được ni trên chất nền kim loại
hoặc một màng mỏng cách nhiệt [29]. SiNRs với các nhiều đặc tính vật lý đa dạng đã được sử
dụng rộng rãi cho nhiều ứng dụng bao gồm cảm biến khí, thiết bị điện tử và điện tử spin. Tuy
nhiên, để phù hợp với nhiều ứng dụng khác nhau, các tính chất vật lý thiết yếu của SiNR 1D cần

phải được làm đa dạng. Các chủ đề nghiên cứu để làm giàu các tính chất vật lý thiết yếu của
SiNR 1D đã nhanh chóng trở thành tiêu điểm cho nhiều khám phá gần đây. Các phương pháp
khác nhau đã được sử dụng để làm phong phú các tính chất vật lý thiết yếu của SiNR 1D bao
gồm chức năng hóa cạnh [30], thay thế hoặc hấp phụ nguyên tử [31], tạo ra các khuyết tật mạng
[32], hình thành các cấu trúc dị chất [33], biến dạng cơ học [34] và áp các trường ngoài [35]. Từ
quan điểm thay đổi hóa học, doping nguyên tử là một phương pháp hiệu quả để làm thay đổi
mạnh các đặc tính thiết yếu của SiNR 1D. Phương pháp doping này có thể gây ra sự đa dạng
mạnh ở các nồng độ và phân bố nguyên tử khác nhau. Cho đến nay, nhiều loại nguyên tử khác
nhau đã được sử dụng để doping trong SiNR 1D. Sự hấp phụ nguyên tử Cu trên ZSiNR 1D đã
được nghiên cứu bằng các tính tốn ngun lý ban đầu [36]. Kết quả nghiên cứu này đã chỉ ra
rằng sự chuyển điện tích từ nguyên tử Si sang nguyên tử Cu dẫn đến trạng thái sắt từ. Ngoài ra,
hiệu ứng hấp phụ của nguyên tử Ti trên ZSiNR 1D cũng đã được nghiên cứu, trong đó các
nguyên tử Ti hấp phụ tối ưu tại vị trí lỗ trống gần tâm của dải 1D [37]. Sự pha tạp P trong SiNR
1D cũng đã được nghiên cứu, trong đó nguyên tử P được thay thế tối ưu ở các vị trí gần cạnh của
SiNR 1D [38]. Sự pha tạp N hoặc B trong SiNR cũng đã được nghiên cứu, N hoặc B cũng cho
thấy thay thế tối ưu ở các vị trị gần cạnh 1D [39]. Hơn thế nữa, hấp phụ các nguyên tử hydro lên
SiNR 1D cũng có thể tạo ra nhiều tính chất vật lý mới tiềm năng. Trong nghiên cứ này, sử dụng
196


các tính tốn ngun lý ban đầu trên hệ máy tính hiệu năng cao của trường Đại học Thủ Dầu Một
(TDMU HPCC), các tính chất cấu trúc, điện tử và từ tính đa dạng của các dải nano silicene 1D
cạnh nghế bành khi hấp phụ các nguyên tử hydro sẽ được nghiên cứu một cách hệ thống.

2. Các chi tiết tính tốn
Cấu tính chất cấu trúc, điện tử và từ tính của dải silicene 1D cạnh nghế bành hấp phụ ngun
tử hydro được nghiên cứu thơng qua các tính tốn ngun lý ban đầu, được tích hợp trong gói
mơ phỏng Vienna Ab Initio Simulation Package (VASP). Các vị trí, nồng độ và phân bố nguyên
tử hấp phụ là được khảo sát đầy đủ trong các tính tốn VASP. Phiếm hàm Perdew-BurkeErnzerhof (PBE) dưới phép xấp xỉ gradient tổng quát được sử dụng để tính tốn năng lượng trao
đổi và tương quan, có nguồn gốc từ các tương tác Coulomb nhiều hạt. Tương tác electron-ion

được mô tả bởi các giả thế sóng tăng cường máy chiếu (PAW). Hàm sóng và năng lượng trạng
thái được xây dựng từ cơ sở sóng phẳng với mức cắt năng lượng tối đa là 400 eV. Các hướng
tuần hoàn mạng của cấu trúc ASiNR 1D được áp dụng dọc theo hướng ox. Để loại bỏ sự tương
tác giữa hai băng nano lân cận, khoảng cách chân không dọc theo các hướng giới hạn lượng tử
của y và z được đặt lớn hơn 20 Å. Các lưới điểm k trong giản đồ Monkhorst-Pack được sử dụng
là 1x1x12 và 1x1x100 để tối ưu hóa cấu trúc và các tính tốn cấu trúc điện tử. Lực HellmannFeynman tối đa được đặt nhỏ hơn 0,01 eVÅ-1. Độ hội tụ năng lượng được đặt ở 10-5 eV giữa hai
bước ion gần nhất.

3. Kết quả và thảo luận
3.1. Các tính chất cấu trúc
Mơ hình nghiên cứu của dải nano silicene cạnh ghế bành khi hấp phụ nguyên tử hydro là
được trình bày trong Hình 1. Độ rộng của dải silicene cạnh ghế bành được sử dụng là 6 đường
dimer. Có 4 vị trí hấp phụ điển hình của H lên dải silicene 1D là top, hollow, bridge, valley như
mơ tả trong Hình 1, trong đó vị trí top được xác định là vị trí hấp phụ tối ưu nhất. Các nồng độ
hấp thụ khác nhau được khảo sát là 8,3% và 100% được biểu thị trong Bảng 1. Tại nồng độ 8.3%
có các vị trí hấp thụ điển hình là trên top của Si1, Si5 và Si8. Độ dài liên kết Si-Si thứ nhất và hai
của 6-ASiNR cạnh ghế bành có giá trị là 2. 26 Å và 2.28 Å (Bảng 1). Rõ ràng, độ dài liên kết SiSi thứ nhất và thứ hai là sai khác khoảng 0,02 Å nguyên nhân của sự sai khác này là do ảnh
hưởng của cấu trúc cạnh. Độ dài liên kết H-Si là khoảng 1.49 hoặc 1.50 Å và hầu như không
197


thay đổi ở các nồng độ hấp phụ khác nhau. Điều này cho thấy rằng liên kết H-Si là rất mạnh.
Năng lượng hấp phụ được xác định là khoảng -2.19 và -2.92 (eV), các giá trị năng lượng hấp phụ
này là tương đối lớn và dẫn đến cấu trúc rất bền. Do vậy, hấp phụ nguyên tử H lên ASiNR được
xác định là hấp phụ hóa học.

Hình 1: Mơ hình nguyên tử của dải silicene 1D cạnh ghế bành hấp phụ nguyên tử hydro.
Bảng 1: Năng lượng hấp phụ [E (eV)], độ dài liên kết Si-Si thứ nhất (Å), độ dài liên kết Si-Si thứ hai (Å)
và độ dài liên kết H-Si (Å) của cấu trúc 6-ASiNR nguyên sinh và 6-ASiNR hấp phụ H ở các nồng độ khác
nhau.

Configuration

Concentration
(%)

E (eV)

1st Si-Si (Å)

2nd Si-Si (Å)

H-Si (Å)

Pristine N6-ASiNR

X

X

2.26

2.28

X

(1H)1

8.3

-2.62538


2.33

2.28

1.49

(1H)5

8.3

-2.19833

2.29

2.26

1.50

(1H)8

8.3

-2.19561

2.33

2.26

1.50


(12H)

100

-2.92284

2.37

X

1.49

198


3.2. Tính chất điện tử
Cấu trúc vùng điện tử là đại lượng vật lý rất hữu ít để nghiên cứu các tính chất điện tử
của vật liệu. Cấu trúc vùng điện tử của dải nano silicene 1D cạnh nghế bành nguyên sơ và hấp
phụ nguyên tử H ở các nồng độ khác nhau là được trình bày trong Hình 2, trong đó Hình 2(a),
2(b), 2(c) và 2(d) tương ứng là cấu trúc vùng điện tử của ASiNR nguyên sơ, hấp phụ 1 nguyên tử
H tại vị trí 1, hấp phụ 1 nguyên tử H tại vị trí 5 và hấp phụ 12 nguyên tử H. Mức năng lượng
Fermi là được đặt tại năng lượng 0 để xác định các vùng năng lượng hóa trị và dẫn. Cấu trúc
vùng điện tử khơng từ tính của ASiNR ngun sơ trong Hình 2(a) thể hiện một độ rộng vùng
cấm năng lượng trực tiếp 0.19 eV (trình bày trong Bảng 2) và các vùng năng lượng con tán sắt
yếu có đặc tính khơng cắt nhau. Ngoài ra, cấu trúc vùng của hệ nguyên sơ này có momen từ bằng
0 và khơng có từ tính. Từ tính là được sinh ra khi hấp phụ 1 nguyên tử H. Độ rộng vùng cấm
năng lượng phân cực spin là được mở ra 0.45 eV và 0.46 eV ở trạng thái spin up đường màu đỏ
trong Hình 2(b) và 2(c) khi hấp phụ 1 nguyên tử H tại vị trí 1 và 5. Khi hấp phụ 100% H thì từ
tính hồn tồn bị triệt tiêu. Độ rộng vùng cấm năng lượng khơng từ tính được mở ra lớn nhất

2.18 eV biểu thị trong Hình 2(d).

Hình 1: Cấu trúc vùng điện tử của (a) ASiNR nguyên sơ, (b) ASiNR hấp phụ 1 nguyên tử H tại vị trí 1,
(c) ASiNR hấp phụ 1 nguyên tử H tại vị trí 5 và (d) ASiNR hấp phụ 12 nguyên tử H. Các đường tán sắc
màu đỏ và đen lần lượt đại diện cho trạng thái spin up và spin dn.
199


Mật độ trạng thái điện tử là một đại lượng vật lý quan trọng để kiểm chứng các đặc tính
chính của cấu trúc vùng điện tử đã trình bày. Ngồi ra, mật độ trạng thái điện tử được phân tách
theo spin và quỹ đạo cũng rất quan trọng để xác định cơ chế lại hóa quỹ đạo và phân cực spin.
Mật độ trạng thái điện tử (DOS) của ASiNR nguyên sơ và hấp phụ 1 nguyên tử H tại vị trí 1 là
được biểu thị trong Hình 3. Sự khơng tồn tại DOS tại mức Fermi của ASiNR trong Hình 3(a) xác
nhận cho độ rộng vùng cấm năng lượng trong cấu trúc vùng điện tử trong Hình 2(a). Các quỹ đạo
Si-3pz được biểu thị bởi đường cong màu đỏ trong Hình 3(a) chiếm ưu thế hồn tồn trong vùng
năng lượng thấp gần mức Fermi và tách biệt với các quỹ đạo Si-3s, Si-3px và Si-3py ở vùng năng
hóa trị. Tuy nhiên, sự lai hóa của các trạng thái quỹ đạo Si-3s, 3px, 3py và 3pz cũng xuất hiện ở
các mức năng lượng trong DOS. Điều này chứng minh cho cơ chế lai hóa hỗn hợp sp2 và sp3
trong các dải nano silicene 1D. Sự phân cực spin là được xuất hiện khi hấp phụ 1 nguyên tử H tại
vị trí 1 được thể hiện bởi phân cực spin trong DOS trình bày trong Hình 2(b). Sự phân cực spin
là rõ ràng nhất trong lân cận của mức Fermi được biểu thị bởi các đỉnh chiếm ưu thế ở trang thái
spin up và down rất khác nhau về cường độ. Các trạng thái quỹ đạo Si-3pz vẫn chiếm ưu thế
hoàn toàn trong vùng năng lượng thấp gần mức Fermi. Qũy đạo 1s của nguyên tử H được biểu
thị bằng đường cong màu xang lá trong Hình 3(b) là chiếm ưu thế mạnh trong vùng năng lượng
hóa trị rất sâu trong khoảng -6 đến 5 eV và quỹ đạo 1s này lai hóa với các quỹ đạo Si-3s, Si-3px
và Si-3py.
Bảng 2: Độ rộng vùng cấm năng lượng [Eg (eV)]/kim loại, mômen từ (µB) và từ tính của 6-ASiNR
ngun sơ và 6-ASiNR hấp phụ H ở các nồng độ khác nhau.

Configuration


Concentration
(%)

Eg (eV)/metal

Magnetic
moment (µB)

Magnetism

Pristine N6-ASiNR

X

0.19

0

Nonmagnetic

(1H)1

8.3

(0.45)up/(0.32)down 1

Ferromagnetic

(1H)5


8.3

(0.46)up/(0.25)down 0.99

Ferromagnetic

12H

100

2.18

Nonmagnetic

0

200


Cường độ liên kết hóa học là được nhận ra bởi phân bố mật độ điện tích. Phân bố mật độ
điện tích của ASiNR nguyên sơ và hấp phụ nguyên tử H ở các nồng độ khác nhau là được trình
bày trong Hình 4. Phân bố mật độ điện tích của ASiNR nguyên sơ trong Hình 4(a) cho thấy rằng
cường độ điện tích trong các liên kết σ (hình chữ nhật màu đen) là rất mạnh hơn so với liên kết π
(hình chữ nhật màu tím). Điều này có thể quan sát được trong mặt cắt (z,x) và (x,y). Các liên kết
π này là bị triệt tiêu khi hấp phụ H. Khi hấp phụ 1 nguyên tử H tại vị trí 1 trong Hình 4(b) các
kiên kết σ là bị làm suy yếu (màu đỏ nhạt) bởi liên kết H-Si mạnh. Các liên kết π bị triệt tiêu
hoàn toàn và liên kết σ bị làm suy yếu đang kể là được quan sát trong cấu hình hấp phụ 100% H
biểu thị trong Hình 4(c). Sự triệt tiêu của các liên kết π trong ASiNR nguyên sơ khi hấp phụ H là
cơ chế mở độ rộng vùng cấm.


Hình 2: Mật độ trạng thái điện tử phân tách theo đóng góp quỹ đạo và spin của (a) ASiNR nguyên sơ và
(b) ASiNR hấp phụ 1 nguyên tử hydro tại vị trí 1.
201


Hình 3: Phân bố mật độ điện tích trong khơng gian của (a) ASiNR nguyên sơ, (b) ASiNR hấp phụ 1
nguyên tử H tại vị trí 1 và (c) ASiNR hấp phụ 100% H.

3.3. Cấu hình từ tính
Phân bố mật độ spin là được sử dụng để phân tích các tính chất từ của vật liệu. Phân bố mật độ
spin của ASiNR hấp phụ 1 nguyên tử H tại các vị trí 1, 5 và 8 tương ứng là được trình bày trong
các Hình 5(a), 5(b) và 5(c). Các trạng thái spin up và spin down được biểu thị thông qua các
isosurface màu hồng và xanh. Rõ ràng, trong các khu vực lân cận các vị trí hấp phụ H sẽ có
nhiều trạng thái điện tử định hướng spin up (màu hồng) và các khu vực xa vị trí hấp phụ H có sự
phân bổ mật độ spin up và spin down tương đối đồng đều. Sự tương quan về phân bổ spin up và
spin down là quyết định nên độ lớn momen từ của hệ. Điều này chứng minh rằng từ tính của vật
liệu là được sinh ra bởi nguyên tử H và định hướng spin up là chiếm ưu thế so với spin down.

202


Hình 4: Phân bố mật độ spin của (a) ASiNR hấp phụ 1 nguyên tử H tại vị trí 1, (b) ASiNR hấp phụ 1
nguyên tử H tại vị trí 5 và (c) ASiNR hấp phụ 1 nguyên tử H tại vị trí 8. Isosurface màu hồng và xanh
tương ứng biểu thị cho các trạng thái spin up và spin down.

4. Kết luận
Phương pháp DFT được tích hợp trong gói mô phỏng lượng tử VASP là công cụ rất hữu ích để
nghiên cứu các tính chất vật lý thiết yếu của vật liệu và đã được sử dụng rộng rãi cho nhiều
nghiên cứu gần đây. Mơ phỏng DFT có thể dẫn đến kết quả rất chính xác và đáng tin cậy. Hiện

nay, các tính tốn VASP đã là cơng cụ chính trong nhiều nhóm nghiên cứu lý thuyết và thực
nghiệm vì tính hiệu quả của nó khi triển khai trên các cụm máy tính hiệu năng cao (HPCC). Cụ
thể, nhiều đại lượng vật lý thiết yếu để nghiên cứu các tính chất cấu trúc, điện tử, từ tính và
quang học là hồn tồn có thể được phát triển thơng qua các tính tốn VASP bao gồm năng
lượng liên kết, phổ phonon, độ dài liên kết tối ưu, góc liên kết, cấu trúc vùng điện tử, mật độ
trạng thái điện tử, phân bố mật độ điện tích, sai khác mật độ điện tích, momen từ và phân bố mật
độ spin, hàm điện môi, hàm mất năng lượng electron. Trong luận văn này, các tính tốn VASP là
được sử dụng để xác định các tính chất cấu trúc, điện tử và từ tính của các dải nano silicene 1D
cạnh ghế bành khi hấp phụ nguyên tử hydro. Sự thay đổi của các tính chất vật lý thiết yếu này
với các nồng độ hấp phụ hydro khác nhau là được nghiên cứu chi tiết. Các đại lương vật lý để
203


xác định các tính chất cấu trúc, điện tử và từ tính được phát triển thơng qua các tính tốn VASP
là năng lượng hấp phụ, các thông số cấu trúc tối ưu, cấu trúc vùng điện tử, mật độ trạng thái điện
tử, phân bố mật độ điện tích và phân bố mật độ spin. Cụ thể, khi hấp phụ 1 nguyên tử hydro tại
vị trí 1, 5 và 8 tạo ra các bán dẫn sắt từ với các độ rộng vùng cấm được mở ra lớn hơn dải
silicene nguyên sơ. Từ tính là hồn tồn bị triệt tiêu khi hấp phụ 100% H và độ rộng vùng cấm là
được mở ra lớn nhất tại hấp phụ 100%. Các tính chất điện tử và từ tính đa dạng của dải nano
silicene 1D cạnh nghế bành khi hấp phụ hydro là rất thiết yếu cho các ứng dụng điện tử và điện
tử spin.
Lời cảm ơn: Nghiên cứu này được tài trợ bởi trường Đại học Thủ Dầu Một và Nghiên cứu này
đã sử dụng tài ngun của Hệ thống tính tốn hiệu năng cao (HPCC) tại Trường Đại học Thủ
Dầu Một.
Tài liệu tham khảo
[1] Yusufu A et al., Bottom-up nanostructured bulk silicon: a practical high-efficiency
thermoelectric material Nanoscale. 6, 13921, 2014.
[2] Perim E, Paupitz R, Botari T, and Galvao D S, One-dimensional silicon and germanium
nanostructures with no carbon analogs, Phys. Chem. Chem. Phys. 16, 24570-74, 2014.
[3] Tiwari J N, Tiwari R N, and Kim K S, Zero-dimensional, one-dimensional, two-dimensional,

and three-dimensional nanostructured materials for advanced electrochemical energy devices,
Prog. Mater. Sci. 57, 724–803, 2012.
[4] Takeda K and Shiraishi K, Theoretical possibility of stage corrugation in Si and Ge analogs
of graphite, Phys. Rev. B. 50, 14916-22, 1994.
[5] Cherukara M J, Narayanan B, Chan H, and Sankaranarayanan S K R S, Silicene growth
through island migration and coalescence, Nanoscale. 9, 10186-92, 2017.
[6] Lin C-L et al., Structure of silicene grown on Ag(111), Appl. Phys. Express. 5, 45802, 2012.
[7] Tao L et al., Silicene field-effect transistors operating at room temperature, Nat.
Nanotechnol. 10, 227-31, 2015.
[8] Hu W, Xia N, Wu X, Li Z, and Yang J, Silicene as a highly sensitive molecule sensor for
NH3, NO, and NO2, Phys. Chem. Chem. Phys. 16, 6957-62, 2014.
[9] Galashev A Y and Ivanichkina K A, Silicene anodes for lithium-ion batteries on metal
substrates, J. Electrochem. Soc. 167, 50510, 2020.
[10] Karpas M, Faria Junior P E, Gmitra M, and Fabian J, Spin-orbit coupling in elemental two204


dimensional materials, Phys. Rev. B. 100, 125422, 2019.
[11] Liu C-C, Feng W, and Yao Y, Quantum spin Hall effect in silicene and two-dimensional
germanium, Phys. Rev. Lett. 107, 76802, 2011.
[12] Ezawa M, Monolayer topological insulators: silicene, germanene, and stanene, J. Phys. Soc.
Japan. 84, 121003, 2015.
[13] Hernández Cocoletzi H and Castellanos Águila J E, DFT studies on the Al, B, and P doping
of silicene, Superlattices Microstruct. 114, 242-50, 2018.
[14] Huang B, Xiang H J, and Wei S-H, Chemical functionalization of silicene: spontaneous
structural transition and exotic electronic properties, Phys. Rev. Lett. 111, 145502, 2013.
[15] Padilha J E and Pontes R B, Free-standing bilayer silicene: the effect of stacking order on
the structural, electronic, and transport properties, J. Phys. Chem. C. 119, 3818-25, 2015.
[16] Qin R, Wang C-H, Zhu W, and Zhang Y, First-principles calculations of mechanical and
electronic properties of silicene under strain, AIP Adv. 2, 22159, 2012.
[17] Wu J-Y, Chen S-C, Gumbs G, and Lin M-F, Feature-rich electronic excitations of silicene

in external fields, Phys. Rev. B. 94, 205427, 2016.
[18] Johll H, Lee M D K, Ng S P N, Kang H C, and Tok E S, Influence of interconfigurational
electronic states on Fe, Co, Ni-silicene materials selection for spintronics, Sci. Rep. 4, 7594,
2014.
[19] Lin X and Ni J, Much stronger binding of metal adatoms to silicene than to graphene: a
first-principles study, Phys. Rev. B. 86, 75440, 2012.
[20] Resta A et al., Atomic structures of silicene layers grown on Ag(111): scanning tunneling
microscopy and noncontact atomic force microscopy observations, Sci. Rep. 3, 2399, 2013.
[21] De Padova P, Perfetti P, Olivieri B, Quaresima C, Ottaviani C and Le Lay G, 1D graphenelike silicon systems: silicene nano-ribbons, J. Phys. Condens. Matter. 24, 223001, 2012.
[22] Lu Y H et al., Effects of edge passivation by hydrogen on electronic structure of armchair
graphene nanoribbon and band gap engineering, Appl. Phys. Lett. 94, 122111, 2009.
[23] Cao L, Li X, Li Y, and Zhou G, Electrical properties and spintronic application of carbon
phosphide nanoribbons with edge functionalization, J. Mater. Chem. C. 8, 9313–21, 2020.
[24] Sadeghi H, Sangtarash S and Lambert C J, Enhanced thermoelectric efficiency of porous
silicene nanoribbons, Sci. Rep. 5, 9514, 2015.
[25] Yao Y, Liu A, Bai J, Zhang X, and Wang R, Electronic structures of silicene nanoribbons:
205


two-edge-chemistry modification and first-principles study, Nanoscale Res. Lett. 11, 371, 2016.
[26] Dong H, Fang D, Gong B, Zhang Y, Zhang E and Zhang S, Electronic and magnetic
properties of zigzag silicene nanoribbons with Stone–Wales defects, J. Appl. Phys. 117, 64307,
2015.
[27] Quertite K et al., Silicene nanoribbons on an insulating thin film, Adv. Funct. Mater.,
2007013, 2020.
[28] van den Broek B, Houssa M, Lu A, Pourtois G, Afanas’ev V, and Stesmans A, Silicene
nanoribbons on transition metal dichalcogenide substrates: effects on electronic structure and
ballistic transport, Nano Res. 9, 3394-406, 2016.
[29] Mehdi Aghaei S, Torres I and Calizo I, Structural stability of functionalized silicene
nanoribbons with normal, reconstructed, and hybrid edges, J. Nanomater., 5959162, 2016.

[30] Tran N T T, Gumbs G, Nguyen D K, and Lin M-F, Fundamental properties of metaladsorbed silicene: a DFT study, ACS Omega. 5, 13760-9, 2020.
[31] Walia G K and Randhawa D K K, First-principles investigation on defect-induced silicene
nanoribbons-A superior media for sensing NH3, NO2 and NO gas molecules, Surf. Sci. 670, 3343, 2018.
[32] Rosales L, Orellana P, Barticevic Z, and Pacheco M, Transport properties of graphene
nanoribbon heterostructures, Microelectronics J. 39, 537-40, 2008.
[33] Mahmoudi M, Fathipour M and Ahangari Z, Improved double-gate armchair silicene
nanoribbon field-effect-transistor at large transport band gap, Chinese Phys. B. 25, 8, 2016
[34] Lu W-T, Sun Q-F, Tian H-Y, Zhou B-H, and Liu H-M, Band bending and zero-conductance
resonances controlled by edge electric fields in zigzag silicene nanoribbons, Phys. Rev. B. 102
125426, 2020.
[35] Ghasemi N, Ahmadkhan Kordbacheh A, and Berahman M, Electronic, magnetic and
transport properties of zigzag silicene nanoribbon adsorbed with Cu atom: a first-principles
calculation, J. Magn. Magn. Mater. 473, 306-11, 2019.
[36] Xu L, Wang X-F, Zhou L, and Yang Z-Y, Adsorption of Ti atoms on zigzag silicene
nanoribbons: influence on electric, magnetic, and thermoelectric properties, J. Phys. D. Appl.
Phys. 48, 215306, 2015.
[37] Zhang J-M, Song W-T, Xu K-W, and Ji V, The study of the P doped silicene nanoribbons
with first-principles, Comput. Mater. Sci. 95, 429-34, 2014.
206


[38] Ma L, Zhang J-M, Xu K-W and Ji V, Nitrogen and boron substitutional doped zigzag
silicene nanoribbons: ab initio investigation, Phys. E Low-dimensional Syst. Nanostructures. 60,
112-7, 2014.Rev. Lett. 77, 3865, 1996.

207