Cấu trúc vùng năng lượng và mật độ trạng thái DOS của các cấu trúc SnSe.

SnS và SnSe thuộc hệ vật liệu của hợp chất kim loại nhóm VI (Sn, Ge, Pb) với nguyên tố chalcogen (S, Se, Te). Hệ vật liệu này có ứng dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghệ bán dẫn nhờ vào đặc tính bán dẫn đặc trưng, ít độc hại, độ bền hóa cao và trữ lượng dồi dào. Với SnSe, vật liệu này được xếp vào loại vật liệu có vùng bán dẫn loại p với độ linh động lỗ trống cao nên thường được dùng trong chế tạo transistor màng mỏng loại p, và có thể dùng trong tế bào quang điện, hay rất nổi trội trong vật liệu nhiệt điện (Chen et al., 2018). Vật liệu SnS thông thường cũng là bán dẫn loại p với độ rộng vùng cấm ở 1,1 eV. Các nghiên cứu trong thời gian gần đây đã chỉ ra ưu thế của việc sử dụng SnS trong chế tạo lớp hấp thụ loại p của tế bào quang điện, hay trong detector và các thiết bị quang điện tử (Antunez et al., 2011; Koteeswara Reddy et al., 2015; Abutbul et al., 2018; Avellaneda et al., 2018; Shi et al., 2018; Patel et al., 2020; Zi et al., 2022).

Ở điều kiện thông thường, SnSvà SnSe đều có cấu trúc lớp và ở dạng cấu trúc Pnma. Ở nhiệt độ cao, hệPnma có sự chuyển đổi qua cấu trúc Cmcm (Chattopadhyay et al., 1984). Một điểm rất đáng chú ý của nhóm vật liệu dạng hợp chất chalcogenide đang xét là SnS và SnSe đó là dạng thù hình phức tạp với nhiều dạng pha tinh thể. Các tính toán phiếm hàm mật độ trư ớc đây đã so sánh một số dạng cấu trúc có thể tồn tại của nhóm vật liệu này(Zhou et al., 2017; Wang et al., 2018), bao gồm cả GeS và GeSe (Nguyen & Makov, 2022; Li et al., 2023). Kết quả của các nghiên cứu trước dự đoán rằng hệ SnS và SnSe có khả năng hình thành nhiều dạng cấu trúc từ dạng lập phương cho đến cấu trúc lớp. Gần đây, nhóm nghiên cứu của G. Makov và Y. Golan đã tổng hợp thành công 2 dạng pha tinh thể hoàn toàn mới của SnS và SnSe là dạng nano π-cubic vào năm 2016 (Abutbul et al., 2016, 2018) và dạng lớp γ-Pnma vào năm 2023 (Zakay et al. 2023). Kết quả thực nghiệm kết hợp với tính toán trên cho thấy rằng ngoài dạng pha tinh thể Pnma hoặc Cmcm cơ bản được nghiên cứu nhiều trước đây, nhóm vật liệu SnSe và SnScó thể được điều chế thành vật liệu dạng lập phương, từ đơn giản như fcc đến lập phương phức tạp dạng nano π-cubic, hay tổng hợp thành nhiều dạng cấu trúc lớp khác. Các pha tinh thể mới của SnS và SnSechưa được nghiên cứu nhiều và được hứa hẹn là một hướng phát triển mới trong các ứng dụng về pin quang điện và nhiệt đi ện.

Trong nghiên cứu này, đặc tính điện tử và đặc tính quang học của hai dạng cấu trúc mới (γ-Pnmavà π-cubic) của vật liệu SnSvà SnSeđã được khảo sát chi tiết và cùng so sánh với cấu trúc cơ bản α-Pnma tương ứng. Kết quả cho thấy độ bền năng lượng được sắp xếp theo thứ tự thấp dần từ α-Pnma →γ-Pnma→π-cubic trong cùng một vật liệu. Tính chất cơ học của các dạng cấu trúc được khảo sát và cho thấy các hệ đều bền vững dưới tác động cơ học. Về cấu trúc vùng năng lượng thì độ rộng vùng cấm của hệ γ-Pnmalà bán dẫn rất hẹp (0,1 −0,36 eV) còn độ rộng vùng cấm của hệ π-cubic lớn hơn so vớihệ α-Pnma trong cùng một mô hình. Khảo sát đặc tính quang học cho thấy rằng các cấu trúc lớp α-Pnmavà γ-Pnma thể hiện đặc tính quang học tốt như độ hấp thụ và độ truyền dẫn quang học cao phù hợp với tiềm năng ứng dụng quang điện. Đồng thời các vật liệu dạng lớp có độ rộng vùng cấm hẹp hơn và tính bất đẳng hướng rõ rệt có thể ứng dụng cho detector quang học. Cấu trúc π-cubicSnS có thể ứng dụng vào thiết bị quang điện do có độ rộng vùng cấm cao và tính đẳng hướng. Trên cơ sở tính toán này, nghiên cứu đã chỉ ra những đặc trưng về mặt cấu trúc, tính chất điện tử và đặc tính cơ học - quang học để làm cơ sở cho những nghiên cứu tiếp theo hoặc định hướng ứng dụng của hệ vật liệu SnS và SnSe cho thiết bị quang điện tử.