Optoelectronic Properties of Nitrogen-Doped Hexagonal Graphene Quantum Dots: A First-Principles Study

Bài báo thuộc danh mục ISI, Q2 do nhóm tác giả TS. Trần Thị Nhàn – Giảng viên Vật lý- khoa Khoa học cơ bản- Trường Đại học Công Nghiệp Hà Nội; TS. Phạm Vũ Nhật; TS. Nguyễn Trúc Anh; TS. Đặng Minh Triết - ĐH Cần Thơ, Ths. Tô Văn Nguyện - Đại học Lê Quý Đôn; Ths. Nguyễn Võ Anh Duy- Trường Phổ thông trung học; Ths. Nguyễn Thành Si- Đại học Trà Vinh; TS. Nguyễn Văn Nghĩa- Đại học Kiến Trúc; GS. TS. Peter Schall- Trường Đại học Amsterdam- Hà Lan; GS.TS. Đinh Văn An- Trường Đại học Osaka, Nhật Bản, đăng trên tạp chí ACS omega, tập 9 số 18 từ trang 20056 đến trang 20065 do nhà xuất bản American Chemical Society xuất bản ngày 7 tháng 5 năm 2024.

Trong bài báo, nhóm tác giả đã sử dụng phương pháp tính toán nguyên lý đầu tiên, nghiên cứu chỉ ra việc pha tạp nguyên tử nitơ làm tăng đáng kể hiệu suất hấp thụ năng lượng mặt trời của các tấm pin mặt trời làm từ chấm lượng tử graphene. Sự pha tạp các nguyên tử nitơ làm thay đổi mạnh hình dạng các orbital biên của vùng điện tử dẫn và vùng điện tử hóa trị do sự tương tác mạnh giữa nguyên tử nitơ pha tạp và các nguyên tử carbon ở lân cận nó. Tương ứng với sự thay đổi về đặc tính điện tử, nó kéo theo sự thay đổi tích cực các đặc tính hấp thụ quang của vật liệu. Vùng quang phổ hấp thụ của các chấm lượng tử được mở rộng mạnh về vùng ánh sáng màu đỏ và sự tăng cường mạnh mẽ các đỉnh phổ khi tăng số nguyên tử nitơ pha tạp vào chấm lượng tử. Hơn nữa, khi tăng nồng độ nitơ pha tạp, độ rộng vùng cấm của cấu trúc dải điện tử được mở rộng hơn do liên kết sigma giữa các nguyên tử nitơ pha tạp và nguyên tử carbon lân cận mạnh hơn. Những kết quả trong nghiên cứu của nhóm tác giả chỉ ra việc pha tạp nitơ vào chấm lượng tử có cấu trúc như graphene là phương pháp mới hiệu quả, hữu ích để nâng cao hiệu suất chuyển đổi năng lượng mặt trời thành năng lượng điện của các thiết bị quang điện tử thế hệ mới.

Abstract: Graphene quantum dots have been widely studied owing to their unique optical, electrical, and optoelectrical properties for various applications in solar devices. Here, we investigate the optoelectronic properties of hexagonal and nitrogen-doped graphene quantum dots using the first-principles method. We find that doping nitrogen atoms to hexagonal graphene quantum dots results in a significant red shift toward the visible light range as compared to that of the pristine graphene quantum dots, and the doped nitrogen atoms also induce a clear signature of anisotropy of the frontier orbitals induced by the electron correlation between the doped nitrogen atoms and their adjacent carbon atoms. Moreover, time-dependent density functional theory calculations with the M06-2X functional and 6-311++G(d,p) basis set reproduce well the experimental absorption spectra reported recently. These results provide us with a novel approach for more systematic investigations on next-generation solar devices with assembled quantum dots to improve their light selectivity as well as efficiency.

Keyword: Graphene quantum dots; M06-2X; Nitrogen-Doped Hexagonal

Toàn văn bài báo xem tại: https://doi.org/10.1021/acsomega.3c10501

Một vài hình vẽ trong bài báo