Nghiên cứu mô phỏng động lực phân tử cấu trúc nano xốp ZnO kênh rỗng dạng lục giác

 TẠP CHÍ KHOA HỌC TRƯỜNG ĐẠI HỌC HỒNG ĐỨC - SỐ 39.2018 
139 
NGHIÊN CỨU MÔ PHỎNG ĐỘNG LỰC PHÂN TỬ CẤU TRÚC 
NANO XỐP ZnO KÊNH RỖNG DẠNG LỤC GIÁC 
Nguyễn Thị Thảo1 
TÓM TẮT 
Cùng với wurtzite (WZ) và zincblende, người ta đã tìm thấy một số lượng lớn oxit kẽm 
(ZnO) có các đa hình khác nhau với các đặc tính và ứng dụng khác nhau căn bản. Do đó, 
dự đoán và tổng hợp các nhóm đa hình mới của ZnO có ý nghĩa lớn và vẫn đang thu hút 
được sự quan tâm nghiên cứu đáng kể. Ở đây, chúng tôi thực hiện một nghiên cứu dựa trên 
phương pháp lý thuyết phiếm hàm mật độ kết hợp gần đúng liên kết chặt (Density Functional 
Theory based Tight Binding - DFTB) để dự đoán lý thuyết một họ đa hình rỗng mới của ZnO 
bằng cách tiếp cận từ trên xuống. Hình thù của các thành tố cơ bản cho phép thu được họ 
cấu trúc nano ZnO xốp mật độ thấp với kênh rỗng hình lục giác. Tính toán của chúng tôi 
cũng chỉ ra rằng tất cả các cấu trúc rỗng được dự đoán/thiết kế đều là chất bán dẫn có vùng 
cấm rộng, thẳng giống như của cấu trúc khối ZnO. Cấu trúc vùng điện tử của cấu trúc nano 
xốp ZnO cũng được nghiên cứu chi tiết. 
Từ khóa: Nano xốp, lý thuyết phiếm hàm mật độ, chất bán dẫn. 
1. ĐẶT VẤN ĐỀ 
Ngày nay, các vật liệu vô cơ mở khung (nano xốp) đã nhanh chóng trở thành một 
hướng nghiên cứu mạnh. Các vật liệu nano xốp đóng một vai trò quan trọng trong nhiều ứng 
dụng liên quan đến năng lượng và phát triển bền vững, ví dụ xúc tác, tách khí, lọc nước và 
pin nhiên liệu. Theo thực nghiệm, vấn đề chính của hướng nghiên cứu vật liệu khung mở là 
tìm ra các vật liệu sở hữu kênh và các tính năng mà làm cho chúng thành vật liệu nano xốp, 
chẳng hạn các hốc cơ sở/các lồng ở cấp độ nano. Về mặt lý thuyết, tìm kiếm các dạng thù 
hình rỗng mới không những cần thiết mà còn là thách thức. Cơ sở dữ liệu của Hiệp hội 
Zeolite quốc tế (IZA) cho thấy rằng, theo thời gian số lượng các loại cấu trúc khung nano 
xốp độc đáo đã tăng nhanh chóng, từ 27 loại trong năm 1970, lên 38 vào năm 1978, lên 64 
trong năm 1988, lên 98 vào năm 1996 và đến 174 trong năm 2007 [9]. 
Ôxit kẽm (ZnO) được cho là vật liệu bán dẫn có nhiều tính chất thú vị và quan trọng 
hơn nhiều so với các vật liệu khác. Lý giải cho điều này là vì ZnO có thể được hiện thực hóa 
rất dễ dàng trong nhiều cấu trúc nano khác nhau, tính chất phát quang tuyệt vời và khả năng 
thay đổi độ rộng vùng cấm năng lượng, chẳng hạn trong cấu trúc nano dị chất vỏ-lõi, tính áp 
điện của nó tìm thấy ứng dụng như máy phát điện nano, tính tương thích sinh học của nó tìm 
thấy ứng dụng trong cảm biến hóa sinh, tính trong suốt cao và khả năng có tính sắt từ ở nhiệt 
độ phòng sẽ tìm thấy ứng dụng trong quang điện tử và điện tử học spin. Đến nay, các tìm 
kiếm để tổng hợp hoặc dự đoán lý thuyết các nhóm cấu trúc hay các đa hình hoặc pha mới 
cho các hợp chất này vẫn có ý nghĩa lớn và đang thu hút được sự quan tâm đáng kể [6]. 
1 Giảng viên khoa Khoa học Tự nhiên, Trường Đại học Hồng Đức 
TẠP CHÍ KHOA HỌC TRƯỜNG ĐẠI HỌC HỒNG ĐỨC - SỐ 39.2018 
140 
Trong bài báo này, chúng tôi đề xuất một phương pháp lý thuyết để thiết kế họ cấu 
trúc nano ZnO xốp mật độ thấp với kênh rỗng hình lục giác từ một vài thành tố đơn vị rỗng 
được lựa chọn cẩn thận. Chúng tôi cho rằng phương pháp này có thể cung cấp một cách hữu 
hiệu để thiết kế mô hình tính toán vật liệu nano xốp. Ở đây, chúng tôi thảo luận về độ bền 
vững và cấu trúc điện tử của các vật liệu dựa trên các tính toán trong hình thức phiếm hàm 
mật độ kết hợp gần đúng liên kết chặt (DFTB). 
2. NỘI DUNG 
2.1. Phương pháp nghiên cứu 
2.1.1. Phương pháp thiết kế cấu trúc 
Trong phần này chúng tôi mô tả ngắn gọn phương pháp tiếp cận “từ trên xuống” để 
tiên đoán về mặt lý thuyết các tinh thể nano rỗng. Các thủ tục thiết kế được bắt đầu từ một 
số lượng lớn các siêu ô của tinh thể ZnO dạng WZ, rồi khoét đi các kênh rỗng dạng lục giác, 
để lại một khung xương rỗng. Tiếp đến, cấu trúc khung rỗng này được dịch chuyển về tâm 
đối xứng và được thực hiện các phép đối xứng có thể, để được ô mạng tinh thể nguyên thủy. 
Sau đó, các cấu trúc này được tiến hành tối ưu hóa cấu trúc, tức là cho phục hồi hay giải tỏa 
các biến dạng đi kèm với sự tồn tại của kênh rỗng cũng như bề mặt bên trong của các vách 
rỗng. Cuối cùng, các cấu trúc đã hồi phục này được tính toán các đặc trưng cấu trúc, điện tử 
và rút ra các quy luật liên quan. 
Các cấu trúc nano xốp rỗng ZnO trong bài báo này được đặc trưng bởi kích thước hốc 
và độ dày vách, tất cả các hốc đều có hình lục giác nhưng có đường kính khác nhau, được 
đo bằng đơn vị kích thước khối lục giác. Chúng tôi đưa ra khái niệm độ dày vách với ngụ ý 
là độ dày nhỏ nhất giữa các hốc, cũng được đo bằng số lớp khối lục giác, có thể là đơn vách 
(SW), hai vách (DW), ba vách (3W) hoặc bốn vách (4W). Do đó, một cấu trúc được viết là 
SW-2 sẽ có hốc lục giác với kích thước 2 khối lục giác, được cách nhau bởi những vách đơn. 
Tương tự như vậy, cấu trúc 1.5W-2 là hốc lục giác với kích thước 2 khối lục giác, đ