09392522438  
 EN | FA
مدیر ارشد

مدیر ارشد

 

 

 

ممکن است دانشمندان پنجمین نیروی اصلی طبیعت را کشف کرده باشند

اکنون دانشمندان در حال تحقیق بودند که فرض می کنند دنیای مادی بر چهار ستون استوار است. چهار نیرو "خاک، باد، آب و آتش"که دنیای طبیعی را کنترل می کنند ولی اوضاع به صورت دیگری می باشد.

نیروهایی که جهان را کنترل می کنند و به تعبیری ، جهان مرئی، گرانش، الکترومغناطیس، نیروهای هسته ای ضعیف و نیروهای هسته ای قوی هستند. تحقیقات دانشمندان در انستیتوی تحقیقات هسته ای در آکادمی علوم مجارستان (Atomki) می تواند به یک نیروی دیگر در طبیعت اشاره کند. آن ها یک اتم هلیوم پر انرژی برانگیخته را قبل از بازگشت به حالت پایدار با انتشار نور تماشا می کردند. در طی این فرآیند ، به نظر می رسید که ذرات در مطالعات مکرر در یک زاویه غیرمعمول تقسیم می شوند- همیشه این زاویه 115 درجه در نظر گرفته می شد.

این پدیده که مربوط به هلیوم است، هیچ پایه ای برای توضیح مناسب چهار نیروی شناخته شده حاکم بر جهان طبیعی ندارد و دانشمندان بر این باوردن که ممکن است یک نیروی بنیادی پنجم از طبیعت را کشف کنند و نام  آن را X17 گذاشتند.

 

5th force cern
نتیجه آزمایشات فوتون از مطالعه CERN در سال 2012 ذره ای نشان می دهد که می تواند هیگز باشد. CERN / CMS

 

این همچنین اولین بار نیست که دانشمندان ادعای اجمالی در مورد "نیروی پنجم" پیشنهادی دارند.

چند سال پیش ، همان تیم تحقیقاتی ، ایزوتوپ بریلیم را در هنگام واپاشی مشاهده کردند ، و آن ها را به سمت همان اتم سبک تر مانند هلیوم رساند.

یافته های آن ها نشان داد که ذراتی توسط اتم های بریلیم -8 (رادیواکتیو) با زاویه 140 درجه به صورت عجیب و جدید منتشر شدند.

نویسنده اصلی این مطالعه آتیلا کرازنهاورکی به CNN گفت: "ما ذره ای جدید را معرفی کردیم که قبلاً هیچ کس ندیده بود و وجود آن توسط مدل استاندارد فیزیک ذرات قابل قبول نیست، بنابراین نمی توان آن را درک کرد ،از این رو با بررسی های دقیقی این مسئله روبرو شد.  

 

شبیه سازی یک بوزون هیگز در حال پوسیدگی به چهار میمون در CERN در سال 1990. تصویر گتی  سرن

شبیه سازی یک بوزون هیگز در حال واپاشی به چهار میمون در CERN در سال 1990: گتی / سرن

 

  مشاهدات قدیمی و جدید مشترکات عجیب و غریبی زیادی داشتند.

اگر نوری که توسط اتم بر انگیخته به اندازه کافی پر انرژی باشد که به یک الکترون و یک پوزیترون تبدیل شود آنگاه هر دو قبل از بزرگنمایی ، با زاویه قابل پیش بینی از یکدیگر دور می شوند.

قانون پایستگی انرژی به ما آموخته است هرچه انرژی نوری  که توسط یک جفت ذره آزاد می شود بیشتر باشد، زاویه بین آن ها کوچکتر می شود. در مواردی استثنائاتی وجود دارد، اما تا حد زیادی، این یک رفتار معمولی برای یک اتم برانگیخته است.

دانشمندان فکر می کنند این نیرو احتمالاً ذره ای است که توسط خود اتم ها انجام می شود و آن ها را "X17" می نامند. Krasznahorkay به CNN گفت: این به دلیل جرم محاسبه شده 17 مگا الکترون ولت ، لقب 'X17' دارد. وی در یک ایمیل گفت: "X17 می تواند ذره ای باشد که دنیای قابل مشاهده ما را با ماده تاریک مرتبط می کند."

به نظر می رسد مطالعه این تیم در سال 2016 قوی بوده و توجه بسیاری از محققان در سراسر جهان را به خود جلب کرده است ، که آن ها را به این احتمال اشاره کرد که ممکن است ذره ای کاملاً جدید مسئول ناهنجاری باشد. فیزیکدانان هسته ای از همه جا تلاش کرده اند که در کار مجارستانی ها خللی بیابند که تا کنون ، به نظر می رسد آن ها شکست خورده اند.

 

 

خوشه کهکشان به نام Abell S1063 از چند سال پیش توسط تلسکوپ فضایی هابل

خوشه کهکشان به نام Abell S1063 از چند سال پیش توسط تلسکوپ فضایی هابل ناسا / ESA هابل مشاهده شد.

 

توده عظیمی از خوشه - که حاوی ماده بارونیک و ماده تاریک است - به عنوان بزرگنمایی کیهانی عمل می کند و اشیاء موجود در پشت آن را تغییر شکل می دهد. در گذشته اخترشناسان از این اثر عدسی گرانشی برای محاسبه توزیع ماده تاریک در خوشه های کهکشان استفاده می کردند. با این حال ، یک روش دقیق تر و سریعتر مطالعه نور داخل سلولی (قابل مشاهده در رنگ آبی) است که به دنبال توزیع ماده تاریک است.

 

جاناتان فنگ ، استاد فیزیک و نجوم در دانشگاه کالیفرنیا در ایروین که سال ها پیگیر کار این تیم بوده است ، گفت: "برخی فیزیکدانان هسته ای بسیار شناخته شده هسته ای این تلاش را کرده اند و معتقد است که تحقیقات آن در حال شکل گیری است تا یک تغییر دهنده بازی باشد. از نظر وی ، تیم در صورتی که به نتیجه برسند جایزه نوبل  دور از ذهنی خواهند داشت.

اگر تأیید شود ، X17 فقط ذره ای قدیمی نخواهد بود - مشخصات آن حاکی از آن است که این یک نوع کاملاً جدید بوزون اساسی است که قبلاً مورد مطالعه قرار نگرفته است. این یک کشف مهیج است زیرا سه نیروی چهارگانه شناخته شده حاکم بر جهان طبیعی دارای بوزون های حمل کننده هستند که در فیزیک جذابیت و دفع اشیاء دست خود را به دست می آورند. 

 

 

به علاوه ، نیروی گرانش ظاهراً توسط یک ذره فرضی به نام گراویتون انجام می شود، که دانشمندان پیش بینی کرده اند ولی هنوز کشف نشده است.

 

این مطالعه سال 2016 توسط یک مجله معتبر  Physical Review Letters منتشر شد، در حالی که مطالعه فعلی هنوز در انتظار یک فرآیند بررسی دقیق همسالان است. این یافته ها در ArXiv از قبل منتشر شده است ، جایی که آنها در معرض بررسی دیگران در این زمینه پیش از انتشار هستند.

 

گسترش جهان به مرور زمان

جهان با گذشت زمان در حال گسترش است و تحت تأثیر جاذبه ، یک پهنه کیهانی از ساختارهایی مانند این ها ایجاد می کند. این پهنه حاوی ماده تاریک و طبیعی است

 

کشیدن نامرئی ماده تاریک یکی از دردناک ترین سؤالات در اخترفیزیک مدرن است و می تواند اساساً شیوه ای که ما می بینیم و تعامل با جهان را تغییر می دهیم. دانشمندان امیدوار هستند که یک ذره اساسی جدید و جدید در طبیعت بتواند به راه حلی اشاره کند که جامعه فیزیک به شدت ناامید شده است. به طور خاص ، نیروی پنجم شامل یک "بوزون" اساسی می تواند ماده ای را که ما نمی توانیم با آن ارتباط برقرار کنیم (ماده تاریک).

 

در حال حاضر ، X17 به سادگی مسیری طولانی از ذره ای "رسمی" است که می توانیم به مدل های موجود از طبیعت و ماده اضافه کنیم. این در شرایطی است که تیم می تواند فراتر از هرگونه تردید منطقی را اثبات کند که مشاهدات آن ها صحیح است ، جایی که از ماه ها تا سال ها دورتر است.

 

 

مشکلات پیش روی توسعه ی سلول های خورشیدی پروسکایتی

با تمامی این ویژگی ها، هنوز برخی مسائل و مشکلات حل نشده مورد مناقشه وجود دارد.

در این میان، مهمترین نگرانی پیرامون دقت مقدار بازده های گزارش شده است. بطور خاص، رفتار پسمان[1] منجر به وابستگی شدید جریان نوری[2] به شرایط جاروب ولتاژ خروجی می شود که به ویژه در برخی سلول های خورشیدی پروسکایتی گزارش شده است [1].

این امر منجر به شک و تردیدهایی نسبت به اعتبار مقادیر گزارش شده ی بازدهی این سلول ها گردیده که ممکن است به پدیده ی پسمان مربوط باشد. محققین این رشته می بایست توجه مضاعفی را نسبت به صحت مطالعات خود چه در زمینه ی مواد و چه در زمینه ی تکنولوژی های مورد استفاده، بخصوص در مراحل اولیه، مبذول دارند.

خطرات مربوطه به عدم کاربرد دقیق تجهیزات و روش های توصیه شده، بارها مورد بحث قرار گرفته و دستورالعمل های شفافی برای جلوگیری از اشتباهات رایج در ارزیابی بهره ی تبدیل نور در تکنولوژی های فوتوولتائی وضع گردیده است [2-4].

رفتارهای غیرمعمولی که ممکن است منجر به تخمین های نادرست عملکرد دستگاه شود، می بایست بطور مفصل مورد بحث قرار گیرد و دستورالعمل های مشخصه یابی بر این اساس بروز شوند.

با تمام این ها، بازده تنها عامل تعیین کننده برای مناسب بودن یک قطعه برای کاربردهای واقعی نیست. پایداری عملیاتی[3] و مدت زمانی که طول می کشد تا قطعه مستهلک شود، نیز می بایست مورد توجه قرار بگیرند.

تاکنون، پایداری عملیاتی رضایت بخشی برای پروسکایت ها گزارش نشده است.

متاسفانه، پایداری دمایی پایین مواد پروسکایتی پایه ی این نوع از سلول های خورشیدی، که در حدود دمای ̊C 70 می باشد، نشان می دهد که بحث پایداری این قطعات چالش بزرگی برای سلول های خورشیدی پروسکایتی خواهد بود [5].

بنابراین پایداری عملیاتی و طول عمر قطعات خورشیدی ساخته شده به کمک این مواد و مقاومت آن ها در برابر رطوبت از دیگر مواردیست که می بایست جهت کاربرد های گسترده ی صنعتی مورد توجه قرار گیرد.

ژیآو[4] و همکارانش به تازگی گزارش داده اند که پروسکایت ها شدیدا نسبت به میدان الکتریکی واکنش نشان می دهند [6].

زمانی که میدان الکتریکی شدیدی به سلول های خورشیدی پروسکایتی اعمال شود، سلول به طور کامل قطبیده شده و قطبیدگی آن کاملا عوض می شود. در نتیجه در ماژول ها که تعداد زیادی سلول بصورت سری به یکدیگر متصل شده اند، اختلاف پتانسیل بزرگی پدید می آید. به تازگی، چنین اثری در سلول های خورشیدی سیلیکونی (بلوری) منجر به مشکلات جدی ای شده است، آن هم در تکنولوژی ای که باور عمومی بر خدشه ناپذیر بودن آن بوده است.

بنابراین، آزمایش های دقیق بیشتری برای ارزیابی پایداری سلول های پروسکایتی در کاربردها و وضعیت های واقعی نیاز است.

 

 

در نهایت یک موضوع بحث برانگیز دیگر در موفقیت تکنولوژی پروسکایتی باقی می ماند و آن پذیرش ماده سمی سرب است. در حالی که مقدار سرب بکار رفته بسیار اندک است (بسیار کمتر از یک گرم بر متر مربع) آیا یک تکنولوژی "سبز" حاوی سرب در شرایطی که استفاده از سرب در کاربردهای الکترونیکی ممنوع شده است، قابل پذیرش است؟

جایگزینی سرب بسیار چالش برانگیز خواهد بود. بازدهی بدست آمده از جایگزین های دیگر سرب مانند قلع کمتر از 10% بوده است. و این موضوع مانع بزرگی بر سر راه توسعه ی سلول های خورشیدی مبتنی بر پروسکایت خواهد بود.

 

 

Perovskite problems

 

 

References:

[1]        Snaith HJ, Abate A, Ball JM, Eperon GE, Leijtens T, Noel NK, Stranks SD, Wang JT-W, Wojciechowski K, & Zhang W (2014) Anomalous hysteresis in perovskite solar cells. The journal of physical chemistry letters 5(9):1511-1515.

[2]        Snaith HJ (2012) The perils of solar cell efficiency measurements. Nature Photonics 6(6):337.

[3]        Yang X, Yanagida M, & Han L (2013) Reliable evaluation of dye-sensitized solar cells. Energy & Environmental Science 6(1):54-66.

[4]        Luque A & Hegedus S (2011) Handbook of photovoltaic science and engineering (John Wiley & Sons).

[5]        Niu G, Guo X, & Wang L (2015) Review of recent progress in chemical stability of perovskite solar cells. Journal of Materials Chemistry A 3(17):8970-8980.

[6]        Xiao Z, Yuan Y, Shao Y, Wang Q, Dong Q, Bi C, Sharma P, Gruverman A, & Huang J (2015) Giant switchable photovoltaic effect in organometal trihalide perovskite devices. Nature materials 14(2):193.

 


[1]Hysteretic

[2]Photocurent

[3]Operational stability

[4]Xiao

 

محاسبات ساختاری انجام شده بر روی پروسکایت ها

پروسکایتها، با فرمول شیمیایی ABX3 (شکل-1)، بطور معمول سلول واحدی شامل 5 اتم در یک ساختار مکعبی دارند (فاز α)، که در آنها کاتیون B، 6 همسایه ی اول و آنیون X و کاتیون A هر کدام 12 همسایه اول دارند [1].

 

Perovskite unit cell

شکل-1: سلول واحد پروسکایت ABX3 [2].

در وضعیت ایده آل، این ساختار برای آنکه حداکثر تقارن مکعبی را حفظ کند، شعاع یون های A، B و X باید طوری باشند که ضریب تلورانس[1] t تقریبا برابر یک شود:

(‏2‑1)

t=(RA+RX)/[(√2)(RA+RX)]

که در این رابطه RA، RB و RX به ترتیب شعاع یون های متناظر ساختار ABX3 هستند. انحراف از مقدار 1 باعث می شود ساختار مکعبی واپیچیده[2] شده و بلور تقارن کمتری خواهد داشت. باید توجه داشت، برای آنکه t≈1 باشد یون A می بایست بسیار بزرگتر از یون B باشد. در پروسکایت های هالوژنی، جایگاه B معمولا با اتم های بزرگ Pb یا Sn اشغال شده و بنابر این اتم A می بایست بسیار بزرگتر باشد. Cs تقریبا بزرگترین اتم گروه I جدول تناوبی عناصر می باشد. اما با این حال Cs به اندازه ی کافی برای حفظ پایداری ساختار مکعبی پروسکایت بزرگ نیست، بنابراین می بایست توسط یک مولکول بزرگ جایگزین شود. شاید دلیل آنکه ترکیب CH3NH3PbI3 پایدارتر بوده و عملکرد بهتری نسبت به CsPbI3 دارد همین باشد.

در دماهای محدود اگر1<t<8/0 باشد ساختار مکعبی همچنان وجود خواهد داشت [3]کمترین مقدار t منجر به ساختار چهارگوش[3] با کمترین تقارن (فاز β) و یا لوزی رخ[4] (فاز γ) می گردد، در حالی که مقدار بزرگ t (t>1) پایداری شبکه ی سه بعدی B-X را برهم زده و منجر به یک ساختار دوبعدی و لایه ای می شود. لازم به یادآوری است که در محاسبات DFT در دمای صفر، فاز γ همیشه پایدارترین فاز بوده و فاز α ناپایدار می باشد، چرا که نمی تواند شرط t=1 را برآورده کند. با این وجود، در دمای محیط اغلب انتقال از یک فاز به فاز دیگر اتفاق می افتد [4, 5]. در حقیقت، مدهای فونونی آکوستیک عرضی به راحتی آنیون X را از وسط فاصله ی اتمهای B-B فاز مکعبی جابجا می کنند. به خاطر شعاع یونی متفاوت و استحکام متفاوت ساختارها، دمای گذار پروسکایت های مختلف با یکدیگر فرق می کنند. برای پروسکایت CH3NH3PbI3 گذار فاز α به β به γ، به ترتیب در دماهای K 330 و K 160 رخ میدهد [6]. برای برخی پروسکایت ها مانند HC(NH2)2PbI، FAPbI3، CsPbI3 و CsSnI3 یک فاز δ غیرپروسکایتی نیز یافت شده است [4, 5]. بر خلاف فاز β و γ، فاز δ نمی تواند از فاز α بر اثر واپیچش زاویه ی B-X-B پدید بیاید، بلکه در عوض با شکسته شدن پیوند B-X بوجود می آید.

Perovskite training CH3NH3PbI3

شکل-2: ساختار پروسکایت CH3NH3PbI3، الف) فاز α، ب) فاز β، ج) فاز γ، د) فاز δ ا[7].

 

ساختار اتمی پروسکایت های آلی-معدنی پیچیده تر از پروسکایت های معدنی هستند. مولکول آلی، با تقارن غیر مرکزی، می تواند آرایش و جهتگیری های گوناگونی را به خود بگیرد (شکل-2). برای ترکیب CH3NH3PbI3 در فاز α مولکلول CH3NH3 در دماهای بالا آرایش تصادفی داشته و در نهایت بلور تقارن Oh به خود می گیرد. در دماهای معمولی (فاز β) آزادی مولکول CH3NH3کاهش یافته ولی هنوز جهتگیری فضایی متنوعی دارد. در دماهای پایین (فاز γ) مولکول CH3NH3 در جای خود ثابت بوده و جهتگیری های منظمی خواهند داشت [5].

بی نظمی جهتگیری مولکولها در فاز α و β را نمی توان در یک سلول واحد محدود مدل سازی کرد. برای فاز α با مقایسه ی انرژی های ساختار CH3NH3PbI3 در شرایطی که پیوند C-N در راستاهای [001]، [110] و [111] جهتگیری کرده اند، کمترین انرژی و پایدارترین حالت قرار گیری پیوند C-N در راستای [111] بدست آمده است. اما مطالعات محدودی نیز به پایدارتر بودن راستای [001] اشاره کرده اند، البته تفاوت چندانی وجود نداشته است. لازم به ذکر است که ساختار نواری و الکترونی CH3NH3PbI3 به جهتگیری CH3NH3 بستگی چشمگیری ندارد. نتایج محاسباتی و تجربی پارامتر شبکه ی فازهای α، β، γ و δ در جدول-1 گزارش شده است [1].

Calculated grid parameter and band gap

جدول-1: پارامتر شبکه و گاف نواری محاسبه شده برای سه فاز CH3NH3PbX3 (X=I, Br, Cl) و مقایسه آنها با نتایج تجربی. چون مولکول CH3NH3 تقارن مرکزی ندارد، برای فاز α پارامتر شبکه ی محاسبه شده برای شبه مکعب بصورت a=V1/3 و همچنین برای فاز β، a=1/2(a+b) تعریف شده است [8].

گزارش هایی که منتشر شده نشان می دهند که تقریب LDA پارامتر شبکه را کمتر از مقدار واقعی و تقریب GGA بیشتر از مقدار واقعی محاسبه می کنند. با این حال محققین، برای ترکیب CH3NH3PbI3، برآورد بیشتر پارامتر شبکه های محاسبه شده به روش GGA-(PBE)، را به برهمکنش های واندروالسی نادیده گرفته شده مابین CH3NH3 و شبکه ی [Pb-I] نسبت داده اند [9]. زمانی که برهمکنش دافعه ای وارد محاسبات می شود پارامترهای شبکه محاسبه شده با نتایج تجربی توافق خوبی خواهند داشت [9-11]. بر همین اساس برهمکنش های واندروالس در پروسکایت های هیبرید هالیدی به نظر بسیار مهم می آیند. البته باید اشاره کرد که اهمیت برهمکنش واندروالس به دو دلیل مهم زیر است:

اولاً، تقریب GGA/PBE نه فقط برای CH3NH3PbI3 بلکه برای سایر ترکیبات نیز منجر به بیشتر برآورد کردن پارامتر شبکه ها می شود و این اتفاق ناشی از مشکل ذاتی این تابع تبادلی-همبستگی است و نه نوع ماده. ثانیاً، اگر برای پروسکایت معدنی CsPbI3 برهمکنش دافعه ای را در نظر بگیریم، پارامتر شبکه ی محاسبه شده با نتایج تجربی یکی خواهد شد. یعنی استفاده از تقریب GGA است که منجر به کاهش طول پیوند ترکیبات می شود و با اضافه کردن برهمکنش دافعه ای به محاسبات، طول پیوندها افزایش یافته و خطای تقریب GGA اصلاح می شود. این نتایج نشان می دهند که CH3NH3 به مانند یک یون رفتار کرده و برهکنش CH3NH3 و [Pb-I] مشابه برهمکنش Cs و [Pb-I] بوده و ویژگی های یونی از خود نشان می دهد. تاکنون برای پروسکایتهای ترکیبی، نتایج بهینه سازی ساختاری با تقریب PBEsol

بهترین همخوانی را با نتایج تجربی حاصل از پراش نوترون و اشعه ی X داشته است (جدول-2).

 

 

Experimental and theoretical values of lattice parameter and bond length

جدول-2: مقادیر تجربی و نظری پارامتر شبکه و طول پیوند های CH3NH3PbI3DFT[11], X-ray[4], X-ray3[5], Neutron[12], X-ray5[13].

References

[1]        Yin W-J, Yang J-H, Kang J, Yan Y, & Wei S-H (2015) Halide perovskite materials for solar cells: a theoretical review. Journal of Materials Chemistry A 3(17):8926-8942.

[2]        Yin W-J, Shi T, & Yan Y (2014) Unusual defect physics in CH3NH3PbI3 perovskite solar cell absorber. Applied Physics Letters 104(6):063903.

[3]        Li C, Lu X, Ding W, Feng L, Gao Y, & Guo Z (2008) Formability of ABX3 (X= F, Cl, Br, I) Halide Perovskites. Acta Crystallographica Section B: Structural Science 64(6):702-707.

[4]        Baikie T, Fang Y, Kadro JM, Schreyer M, Wei F, Mhaisalkar SG, Graetzel M, & White TJ (2013) Synthesis and crystal chemistry of the hybrid perovskite (CH 3 NH 3) PbI 3 for solid-state sensitised solar cell applications. Journal of Materials Chemistry A 1(18):5628-5641.

[5]        Stoumpos CC, Malliakas CD, & Kanatzidis MG (2013) Semiconducting tin and lead iodide perovskites with organic cations: phase transitions, high mobilities, and near-infrared photoluminescent properties. Inorganic chemistry 52(15):9019-9038.

[6]        Ball JM, Lee MM, Hey A, & Snaith HJ (2013) Low-temperature processed meso-superstructured to thin-film perovskite solar cells. Energy & Environmental Science 6(6):1739-1743.

[7]        Yin WJ, Shi T, & Yan Y (2014) Unique properties of halide perovskites as possible origins of the superior solar cell performance. Advanced Materials 26(27):4653-4658.

[8]        Yin W-J, Yan Y, & Wei S-H (2014) Anomalous alloy properties in mixed halide perovskites. The journal of physical chemistry letters 5(21):3625-3631.

[9]        Egger DA & Kronik L (2014) Role of dispersive interactions in determining structural properties of organic–inorganic halide perovskites: insights from first-principles calculations. The journal of physical chemistry letters 5(15):2728-2733.

[10]      Wang Y, Gould T, Dobson JF, Zhang H, Yang H, Yao X, & Zhao H (2013) Density functional theory analysis of structural and electronic properties of orthorhombic perovskite CH3NH3PbI3. Physical Chemistry Chemical Physics 16(4):1424-1429.

[11]      Menéndez-Proupin E, Palacios P, Wahnón P, & Conesa JC (2014) Self-consistent relativistic band structure of the CH 3 NH 3 PbI 3 perovskite. Physical Review B 90(4):045207.

[12]      Eames C, Frost JM, Barnes PRF, O’regan BC, Walsh A, & Islam MS (2015) Ionic transport in hybrid lead iodide perovskite solar cells. Nature communications 6:7497.

[13]      Weller MT, Weber OJ, Henry PF, Di Pumpo AM, & Hansen TC (2015) Complete structure and cation orientation in the perovskite photovoltaic methylammonium lead iodide between 100 and 352 K. Chemical Communications 51(20):4180-4183.


[1]Tolerance factor

[2]Distorted

[3]Tetragonal

[4]Orthorhombic

نرم افزار VESTA

 

نرم افزار VESTA یک نرم افزار مدل سازی می باشد که بوسیله این نرم افزار می توان ورودی و خروجی ساختارها را مشاهده کرد و عملیات برش زدن و سوپرسل ساختن و….. را با این نرم افزار انجام داد.

در این ویدئو با استفاده از این نرم افزار Primitive Cell رابه Conventional Cell یک ساختار Fcc تبدیل می کنیم.

ویدیو های ما را در کانال آپارات و سایت NRTC دنبال کنید:

 

 

 

 

داپینگ اتم های ناخالصی در نانوریبون های گرافنی 


ثابت شده است که داپت اتم های ناخالصی در نانوساختارهای یک بعدی تاثیر زیادی بر تغییر خواص الکترونی آنها دارند.

به علاوه پیوندهای آویزان اتم های کربنی لبه های نانوریبون ها با اتم های هیدروژن که نقش اشباع کننده ی لبه ها را بازی می کنند نیز در ویژگی های الکتریکی این ساختارهای یک بعدی گرافنی تاثیرگذارند. یکی از ایده های رایج برای تغییر خواص الکتریکی این نانوساختار ها جایگزینی اتم های کربنی لبه های ریبون ها با اتم های نیتروژن (N) و بور (B) است که با توجه به سه ظرفیتی بودن این اتم ها دیگر نیازی به اشباع اتم های لبه با هیدروژن نباشد. لازم به ذکر است که با توجه به ساختار اتمی این اتم ها، افزودن بور و یا نیتروژن به ساختار منجر به افزایش، به ترتیب، حفره و الکترون در ساختار می شود.

این اتم ها به مانند ناخالصی و ناحیه ی پراکنده کننده در ماده عمل می کنند و باعث ایجاد اعوجاج در ساختار می شوند. مشاهده شده است که داپ اتم های بور در لبه های انتهایی نانوریبون های زیگزاگ گرافنی منجر به فرومغناطیس شدن این نانوساختار می گردد [32]. پیش از این نیز گزارش شده بود که می توان با داپ اتم هایی که منجر به ایجاد حفره در نانوساختارها می شود، می توان در آن ها ویژگی فرومغناطیسی ایجاد کرد.

با این حال اختلاف میان حالت فرومغناطیس و آنتی فرومغناطیس بسیار کم و در مرتبه ی meV می باشد. بر خلاف حالت بدون برم برای نانوریبون های زیگزاگ که اسپین دو لبه کاملا در خلاف جهت هم قرار دارند، اسپین اتم های لبه ها در نانوریبون های زیگزاگ داپ شده با برم، کاملا با هم موازی و هم جهت هستند. تحلیل چگالی حالت ها در این سیستم نشان می دهد که حتی در غیاب میدان الکتریکی خارجی، این ساختار از خود رفتار نیمه-فلزی نشان می دهد.

در این حالت این نانوریبون ها برای الکترون هایی با اسپین بالا رسانا و برای الکترون هایی با اسپین پایین نارسانا خواهد بود (گافی در حدود ~0.2 eV).

 

Spin density of nanoribbon

شکل-1: چگالی اسپینی نانوریبون های زیگزاگ Nz=8 آلایش یافته با برم.


با اعمال میدان الکتریکی و حتی تغییر جهت آن و یا افزایش شدت میدان نیز این خاصیت نیمه-فلزی تغییری نمی کند. از آنجایی که چگالی اسپینی هر دو لبه ی نانوریبون های برم دار شده با هم موازی و هم جهت هستند، تغییر جهت اعمال میدان نیز تاثیری بر سوئیچ شدن رسانش برای الکترون هایی با اسپین پایین نمی گردد. به واسطه ی همین ویژگی منحصر به فرد، نانوریبون های زیگزاگ داپ شده با برم می توانند به عنوان نانوساختاری نیمه-فلز در هر نوع میدان الکتریکی خارجی ای در دمای اتاق فعالیت کند.

تحلیل نمودارهای چگالی حالت های موضعی به خوبی نشان می دهد که عامل اصلی ای که مانع عبور اسپین پایین در این ساختارها می شود اوربیتال های اتم B داپ شده می باشند. لازم به ذکر است که داپ اتم نیتروژن (N) در لبه های این نانوریبون ها منجر به وضعیتی می شود که در آن، چگالی اسپینی لبه ها کاملا موازی ولی در خلاف جهت هم قرار دارند.
به هرحال، داپ انتخابی اتم های لبه ی نانوریبون ها بصورت تجربی کار بسیار سختی است که می بایست با روش های شیمیایی پیچیده ای از بلوک های بسیار کوچک آغاز شده و به تدریج منجر به رشد نانوریبون شود. با این وجود، نانوریبون های داپ شده با B پایداری بیشتری از خود نشان داده اند. تمرکز و موقعیت این اتم های داپ شده با آنالیز های طیف نگاری رامان و STM توسط محقیق بررسی و اثبات شده است.

 

Reference
S. Dutta, S.K. Pati, The Journal of Physical Chemistry B, 112 (2008) 1333-1335

تاثیر کرنش[1] بر خواص الکترونی نانوریبون های گرافنی

همانطور که پیشتر اشاره شد نانوریبون های آرمچیر نیمه رساناهایی با گاف نواری مستقیم هستند و به سه دسته تقسیم بندی می شوند. برای ساخت قطعات الکتریکی بر پایه ی نانوریبون های گرافنی آرمچیر، امکان مهندسی و تغییر خواص الکتریکی این مواد اهمیت بسیاری دارد. یکی از راه های تاثیرگذاری بر خواص الکتریکی اعمال کرنش خارجی بر ماده است. اینکه چگونه تغییرات ساختاری و موقعیت قرارگیری اتم ها می تواند منجر به تغییراتی در خواص الکتریکی مواد شود، یکی از زمینه های مورد علاقه ی محققین می باشد.

لیا سان[2] و همکرانش به کمک تئوری تابعی چگالی (DFT) بطور مفصل این مساله را مورد بررسی قرار دادند. برای بررسی این پدیده تغییر فرم ساختار نانوریبون های آرمچیر با اعمال کرنش که با ε نماش داده می شود بر روی ماده بررسی صورت می گیرد. این کرنش بصورت تعریف می شود که در آن r و r0 بردار شبکه های تغییر یافته و اولیه ی سیستم (Ǻr0=4.287 ) در راستای طول نانوریبون می باشند. کرنش، با اعمال این تغییر در طول بردارشبکه ی سیستم مورد نظر تعریف و مطالعه می شود. برای بررسی تغییرات پیوند های C-C در نانوریبون گرافنی Na=13 چهار پیوند انتخاب شده که در شکل-1 مشاهده می شود.

Nanoribbon band structure

شکل-1: موقعیت قرارگیری پیوندهای a1، a2، a3 و a4 در ساختار نانوریبون آرمچیر گرافنی.

کاملا واضح است که اعمال کرنش کششی منجر به افزایش خطی طول پیوند های C-C شده و بیشترین تغییر در طول پیوند a1 رخ میدهد. اما برخلاف تصور پیوند های a3 و a4 با افزایش کرنش تغییر بسیار کمی می کنند که دلیل آن نیز اثرات لبه ای می باشد (شکل-2). مطالعات انجام شده روند مشابهی را برای سایر عرض های نانوریبون های آرمچیر گرافنی نشان می دهد.

Nanoribbon band structure

شکل-2: تغییر طول پیوندهای a1، a2، a3 و a4 نسبت به افزایش کرنش.

از آنجا که نانوریبون های آرمچیر گرافنی سه دسته بندی متفاوت دارند لیا سان و همکارانش سه نانوریبون با عرض های Na=12, 13, 14 را به نمایندگی از هر یک از این دسته ها انتخاب کردند. همانگونه که در شکل-3 دیده می شود بیشترین مقدار گاف نواری محاسبه شده برای نانوریبون های Na=12, 13, 14 به ترتیب در کرنش های ε= -4.5%, 7.3%, 1.3% اتفاق می افتد. همانگونه که مشاهده می شود روند تغییر گاف نواری با افزایش کرنش روندی زیگزاگ گونه دارد و تغییراتش خطی نیست.

Nanoribbon band structure

شکل-3: تغییرات گاف نواری نانوریبون های آرمچیر با افزایش کرنش.

مطالعات انجام شده بر روی نانوریبون زیگزاگ با پهنای Nz=13 نشان می دهد که تغییرات گاف نواری در این نوع نانونوارها بسیار کمتر از مشابه آمچیر خود می باشد و با افزایش کرنش این نانوریبون ها همچنان نیمه رسانا باقی می مانند. نتایج بدست آمده برای نانوریبون Nz=13 که گاف نواری ساختار ایده آل آن 0.31 eV می باشد تحت کرنش های 0.5% و -0.5% به ترتیب 0.29 eV و 0.35 eV می باشند.

Nanoribbon band structure

شکل-4: ساختار نواری نانوریبون های زیگزاگ Nz=13 تحت کرنش های 5%، 0% و -5% .

 

Reference

L. Sun, Q. Li, H. Ren, H. Su, Q.W. Shi, J. Yang, The Journal of chemical physics, 129 (2008) 074704.

 


[1]Strain

[2]Lia Sun

خواص الکترونی نانونوارهای زیگزاگ


محاسبات مبتنی بر رهیافت DFT در مورد نانوریبون های زیگزاگ نشان می دهد که چگالی حالت های (DOS) آنها در اطراف تراز فرمی نسبتا زیاد و نیمه پر می باشد که منجر به پدیده ای به نام ناپایداری استونر شده و باعث به وجود آمدن خواص مغناطیسی در این نانوریبون ها می گردد [1]. به کمک محاسبات اسپینی در رهیافت DFT محققین مشاهده کردند که در هر یک از لبه های زیگزاگ این نانوریبون ها خواص فرومغناطیسی داشته و جهتگیری اسپینی در دو لبه کاملا در خلاف هم می باشد. همچنین روند تغییرات گاف نواری با افزایش عرض نانوریبون های گرافنی زیگزاگ تقریبا مشابه نوع آرمچیر، روند کاهشی دارد (شکل-1) [2].

 

 

 

Zigzag nanoribbon band structure
شکل-1: ساختار نواری نانوریبون زیگزاگ Nz=12 و روند کاهشی گاف نواری این نانوریبون ها با افزایش عرض ریبون (نقاط مشکی گاف مستقیم نانوریبون های زیگزاگ را نشان می دهند).


در نمودار چگالی بار شکل-1 به خوبی مشاهده می شود که ممان اسپینی بر روی اتم های کربن اطراف لبه های نانوریبون های زیگزاگ توزیع شده است و اختلاف انرژی بین لبه ها با افزایش پهنای ریبون بیشتر می شود. به عنوان مثال این اختلاف انرژی برای نانوریبون های زیگزاگ Nz=9 تقریبا 20 meV بوده در حالی که برای نانوریبون Nz=16 به 24 meV افزایش پیدا می کند. یانگ لی و همکارانش به کمک تقریب GW به محاسبه ی گاف نواری نانوریبون های زیگزاگ پرداختند که نتیجه ی این محاسبات همانند آنچه درباره ی نانوریبون های آرمچیر گزارش شده است، روند مشابه رهیافت DFT را داشته اما مقدار گاف حدودا 1 eV بزرگتر از آنچه در DFT محاسبه شده، بدست آمده است (شکل-2).

High spin band and low spin band

شکل-2: گاف نواری اسپین بالا و اسپین پایین بدست آمده برای نانوریبون های زیگزاگ به دو روش DFT با تقریب LSDA و تقریب GW.


بر اساس این نتایج به خوبی دیده می شود که نتایج بدست آمده با روش DFT از نظر کیفی کاملا با تقریب GW همخوانی دارد و به کمک نتایج آن می توان به درستی فیزیک پدیده ی در حال وقوع در نانوریبون های گرافنی را تحلیل نمود، اما آنجا که پای اندازه گیری های دقیق به میان می آید تقریب GW راهگشا خواهد بود.

 

References

[1] M. Wu, X. Wu, Y. Gao, X.C. Zeng, Applied Physics Letters, 94 (2009) 223111.

[2] Y.-W. Son, M.L. Cohen, S.G. Louie, Physical review letters, 97 (2006) 216803.

 

خواص الکترونی نانوریبون های آرمچیر

 

روش های محاسباتی متعددی برای بررسی خواص الکترونی نانونوارهای آرمچیر مورد استفاده قرار گرفته اند: روش بستگی قوی[1]، محاسبات تئوری تابعی چگالی[2] و رهیافت بس الکترونی به کمک تابع گرین[3] (GW). در این میان رهیافت تئوری تابعی چگالی از دقیقترین رهیافت هایی است که تا بحال دقت محاسباتش در حوزه فیزیک حالت جامد و سیستم های نانومقیاس به اثبات رسیده است. از همین روی اکثر محاسبات تئوری انجام شده به روش تئوری تابعی چگالی بوده است. با این حال محرز شده است که تئوری تابعی چگالی مقدار گاف نواری را کمتر مقدار واقعی تخمین می زند. به همین دلیل تقریب GW برای اصلاح دقت DFT توسعه یافته و بر دقت محاسبه ی گاف نواری افزوده است.

سان[4] و همکارانش [1] مطالعات مفصلی به کمک رهیافت DFT بر روی خواص الکترونی نانونوارهای آرمچیر گرافن انجام داده اند. نتایج آنان نشان می دهد که تمامی نانونوارهای آرمچیر گرافن نیمه رسانا هستند که گاف نواری آنها با افزایش عرض نانونوار افزایش پیدا می کند. همانطور که در شکل-1 به خوبی مشاهده می شود گاف الکتریکی این نانونوارها بر حسب عرض نوار به سه دسته تقسیم بندی می شود:

 

 

Bandwidth Graphene Armchair Nanowires Calculated by Density Functional Theory 

شکل-1: گاف نواری نانونوارهای آرمچیر گرافن محاسبه شده به روش تئوری تابعی چگالی.

 

همانطوری که به خودی مشاهده می شود، نانونوارهای Na=3p+1 بزرگترین گاف را داشته و نانونوارهای Na=3p+2 کوچکترین مقدار را دارند. هیچ خاصیت مغناطیسی ای در این نانونوارها مشاهده نشده است. به علاوه، نانونوارهای آرمچیر نیمه رساناهایی با گاف نواری مستقیم هستند. فاکتور تاثیرگذار بر پدید آمدن این گاف نواری در ساختار نانونوار های گرافنی عامل محدودیت کوانتومی[5] (QCE) می باشد که شکل-2 که تغییرات گاف را با تغییر پهنای این نانونوارها نشان میدهد به خوبی این ادعا را ثابت می کند. هر چه پهنای نانونوار افزایش یافته و نانونوار به سمت صفحه ی گرافنی میل می کند گاف کاهش می یابد. علاوه بر این سان و همکارانش نشان دادند که تاثیرات لبه ای نیز نقش مهمی در نیمه رسانا شدن نانونوارهای آرمچیر بازی می کنند. می دانیم که کربن های لبه ی نانونوارهای آرمچیر با اتم های هیدروژن اشباع می شوند، که این اتفاق منجر به تغییر طول پیوندهای اتم های کربن لبه ای می شود. از همین روی پیوند کربن های لبه ی نانونوارها طول کمتری نسبت به اتم های میانی داشته و منجر به ایجاد گاف نواری در نانونوارهای گرافنی می شود.

تمامی نانونوارهای آرمچیر دارای ساختار نواری تقریبا مشابهی هستند که نمودار ساختار نواری نانوریبون Na=13 در شکل-2 نشان داده شده است. در این ساختار چهار زیرنوار وجود دارد که مهمترین نقش را در خواص الکترونی نانوریبون های آرمچیر بازی می کنند. این زیرنوارها از ترکیب اوربیتال های π اتم های کربن ساخته شده و دارای شکل های متفاوتی هستند که امکان تغییر گاف به کمک مهندسی این اوربیتال ها را توسط عوامل خارجی مانند کرنش[6] می دهند [2].

 

 

Diagram of the Armchair nanoribbon band structure Na  13 and its charge density 

شکل-2: نمودار ساختار نواری نانوریبون آرمچیر (Na=13) و چگالی بار آن.

در حالت کلی، رهیافت DFT قادر است که تصویر صحیحی از ساختار نواری نانوهای آرمچیر بدهد اما برای اصلاح دقت گاف می بایست از رهیافت های دیگری بهره برد. از همین روی برای حل این مشکل، لی یانگ[7] و همکارانش [3] در محاسبات ابتدا به ساکن از توابع گرین بس ذره و تقریب GW استفاده کردند که روش بسیار دقیق تری برای محاسبه ی گاف نواری مبی باشد. روند نتایج بدست آمده کاملا با نتایج DFT همخوانی داشته اما مقدار عدد گاف متفاوت بوده و با دقت بهتری حاصل شد (شکل-3). این نتایج نشان داد که نانونوارهای آرمچیر با عرض کم، گاف نسبتا بزرگی دارند.

 

Band gap obtained for Armchair nanoribbons by DFT method with LDA approximation and GW approximation 

شکل-3: گاف نواری بدست آمده برای نانوریبون های آرمچیر به دو روش DFT با تقریب LDA و تقریب GW.

 

References

[1] Y.-W. Son, M.L. Cohen, S.G. Louie, Physical review letters, 97 (2006) 216803.

[2] L. Sun, Q. Li, H. Ren, H. Su, Q.W. Shi, J. Yang, The Journal of chemical physics, 129 (2008) 074704.

[3] L. Yang, C.-H. Park, Y.-W. Son, M.L. Cohen, S.G. Louie, Physical Review Letters, 99 (2007) 186801.

 


[1]Tight-Binding

[2]Density Functional Theory (DFT)

[3]Many-electron Green’s function (GW)

[4]Young-Woo Son

[5]Quantum Confinement Effect

[6]Strain

[7]Li Yang

نانوریبون های گرافنی

همان گونه که از نامشان پیداست، پهنای نانونوارهای گرافنی (GNR) در ابعاد نانومتر می باشد. در تفاوت با گرافن، محدودیت در یک بعد منجر به ایجاد محدودیت کوانتومی مهمی در این ساختار می گردد که منجر به بروز خواص متعدد و منحصر به فردی در این ماده می شود.

بر اساس نوع برشی که از گرافن برای ساخت این نانونوارها زده می شود به دو دسته تقسیم می گردند: آرمچیر و زیگزاگ (شکل-1)

 

 

Ribbons -Armchair

شکل-1: نانونوارهای گرافنی، سمت راست زیگزاگ، سمت چپ آرمچیر.

 

در تعیین نوع و پهنای نانونوارهای گرافنی برای نامگذاری آن ها از استانداردی استفاده می شود که از این قرار است: پهنای نانونوارهای آمچیر با تعداد خطوط دی مر (Na) در عرض نانونوار که در شکل-1 نشان داده شده است استفاده می شود، در مقابل نانووارهای زیگزاگ با تعداد زنجیره های زیگزاگی (Nz) در عرض نانونوار به مانند شکل-1 تعریف می گردند.

درست در راستای عمود بر راستای تعریف نوع پهنای نانونوارها، با تکرار سلول واحد آن ها، ساختار یک بعدی و دوره ای نانونوارها پدید می آید. اگر نانونوارها از گرافن برش خورده باشند، اتم های لبه ی نانونوار اشباع نخواهند بود. از همین روی این لبه های فعال نقش بسیار مهمی در خواص نانونوارهای گرافنی بازی می کنند.

برای نانونوارهای آرمچیری تغییر شکلی در لبه ها اتفاق نمی افتد و شکل لبه های نانونوارهای آرمچیری با ساختار صفحه ای (گرافنی) کاملا مشابه است.

در حالی که در نانونوارهای زیگزاگ، مشاهده شده است که لبه ها به طرز غیرمنتظره ای ناپایدار هستند و در دماهای بالا این پدیده کاملا خودبه خود رخ می دهد.

مطالعات متعددی بر روی این تغییرات ساختار لبه های نانونوارهای گرافنی زیگزاگ انجام شده اما هنوز هم جای مطالعه ی بسیاری دارد.

برای حفظ ساختار زیگزاگی نانونوارهای زیگزاگ از اتم های هیدروژن برای اشباع لبه های این نوع نانونوارها استفاده می شود.

 

 

 

 

Monday, 11 November 2019 00:50

سنتز نانوریبون

 

سنتز نانوریبون های گرافنی

 

به طورکلی برای سنتز نانونوارهای گرافنی از روش های مختلفی مانند روش های سنتز شیمیایی، لیتوگرافی و لایه نشانی شیمیایی از فاز بخار (CVD) می توان استفاده کرد.

روشی که در طی سال های اخیر برای سنتز نانونوارهای گرافنی استفاده شده است، روش برش دادن طولی[1] و باز کردن نانولوله های کربنی است.

از آنجایی که نانولوله های کربنی اغلب به شکل ورقه های گرافنی ای توصیف می شوند که در راستای محوری خود لوله شده اند، در نتیجه طبیعی به نظر می رسد که بتوان با باز کردن و برش دادن این لوله ها به نوارهای گرافنی رسید. با این حال از این روش تا سال 2009 برای تولید نانونوارهای گرافنی استفاده نشده بود.

از گستره وسیعی از روش ها اعم از روش های شیمیایی، فیزیکی و الکتریکی می توان برای باز کردن نانولوله های کربنی استفاده کرد که در شکل-1 نمایش داده شده است [1].

 

 

Types of Mechanisms Applicable to Synthesis of Graphene Nanocarbon from Carbon Nanotubes

شکل-1: انواع ساز و کارهای قابل استفاده جهت سنتز نانونوارهار گرافنی از نانولوله های کربنی.

 

هیچ کدام از روش های سنتز عنوان شده، از قبیل روش های سنتز شیمیایی، لیتوگرافی و بردین ورقه های گرافنی به نوارهای باریک، قادر به تولید این نوارها در مقیاس بالا نیست.

از سوی دیگر، روش CVD نیز فقط قادر است که نوارهای گرافنی فلزی را ایجاد کند. این در حالی است که به منظور بکارگیری نانونوارهای گرفانی در تهیه و ساخت ادوات الکترونیکی مانند ترانزیستورهای اثر میدانی[2] و یا حسگرها به روشی نیاز است که امکان تولید نوارهای گرافنی را در مقیاس بالا و به صورت نیمه هادی در اختیار ما قرار دهد.

باز کردن و برش دادن نانولوله های کربنی در راستای طولی نه تنها می تواند نانونوارهای گرافنی با کیفیت بالا را در مقیاس بزرگ تولید کند، بلکه قادر است از طریق الگودهی به فرآیند بریده شدن نانولوله ها، نانونوارهایی را با خواص مختلف الکترونیکی ایجاد نماید.

 

Reference

[1] M. Terrones, A.R. Botello-Méndez, J. Campos-Delgado, F. López-Urías, Y.I. Vega-Cantú, F.J. Rodríguez-Macías, A.L. Elías, E. Munoz-Sandoval, A.G. Cano-Márquez, J.-C. Charlier, Nano Today, 5 (2010) 351-372.

 


[1]Longitudinal unzipping

[2]Field Effect Transistor (FET)

Page 2 of 12

We answer every moment

social 16social 13social 09 social 05