صفحه اصلی | ان آر تی سی | صفحه اصلی<

09392522438  
   EN | FA

نقص بلوری در گرافن

شنبه, 18 آبان 1398 ساعت 23:45
خواندن 242 دفعه

 

انواع نقص بلوری در گرافن

 

تاکنون بیشتر تحقیقاتی که درباره گرافن انجام شده است بر روی ساختار بی نقص و کامل آن بوده، اما به تازگی آشکار شده است که روش های مختلف سنتز و تولید این ماده منجر به ایجاد نقص هایی در ساختار واقعی این ماده می گردد [1]. بسیاری از خواص گرافن، مانند خواص مکانیکی، حرارتی، الکتریکی و ... تحت تاثیر تغییرات ساختاری به وجود آمده و نقص بلوری رخ داده در آن، تغییر می کنند. نقص در ساختار گرافن را می توان به دو دسته ی ذاتی (ناشی از نواقص داخلی ساختار گرافن) [2] و غیرذاتی (ناشی از حضور اتم های خارجی) تقسیم بندی کرد. همچنین نواقص ساختاری در گرافن به می توان بر اساس نقص های نقطه ای نیز دسته بندی کرد (حفره[1]، داپ، نقص استون-وال[2] و ...). به علاوه بر اساس نواقص خطی (در رفتگی، مرز دانه ها و ..) نیز می توان نقص های ساختاری گرافن را دسته بندی نمود.

نقص استون-وال

یکی از قابلیت های بلور گرافن، قابلیت تغییر فرم حلقه های هگزاگونال آن به فرم های دیگر و پایداری ان در این وضعیت است. نقص بلوری STW در واقع چرخش 90 درجه ای دو اتم کربن حول مرکز پیوند آنهاست. همانگونه که در شکل (1) مشاهده می شود در این نقص بلوری، 4 حلقه ی هگزاگونال نزدیک به هم تبدیل به دو حلقه ی پنج ضلعی و دو حلقه ی هفت ضلعی می شوند [3]. این نقص بلور به نقص 5-7-7-5 نیز معروف است.

 

graphen crystalline defect

شکل-1: شکل هندسی نقص بلوری استون-وال.

 

همانگونه که در شکل دیده می شود، نحوه ی چرخش اتم ها و شکل دهی فرم افقی و یا زاویه دار آرایش پنج ضلعی و هفت ضلعی ها به ترتیب STW1 و STW2 نامیده می شوند.

 

graphen crystalline defect 2d

شکل-2: عکس TEM از نقص بلوری استون-وال صفحات گرافن.

 

یکی از جامع ترین مطالعات انجام شده بر روی این نقص بلوری توسط انصاری و همکارانش [4] انجام شده است. آنها به کمک رهیافت دینامیک مولکولی به برسی مدول یانگ گرافن تحت تاثیر نقص بلوری STW پرداختند. آنها دریافتند که مقاومت مکانیکی لایه ی گرافن بر اثر این نقص بلوری به شدت کاهش می یابد، به علاوه مدول یانگ به شدت تحت تاثیر نقص بلوری STW و حفره، کاهش می یابد.

نقص بلوری حفره یا تهی جایی

عدم حضور اتم در ساختار هندسی گرافن، معمولا به نام نقص بلوری حفره نامیده می شود. این نقص بلوری می تواند بر اساس تعداد اتم هایی که از ساختار هندسی گرفان جدا شده اند به نام های حفره ی یگانه، حفره دوگانه و حفره ی چندگانه نامیده شود. در نقص بلوری حفره ی یگانه، سه اتم کربن آویزان در ساختار باقی می ماند که این ساختار شبه پایدار زیر مجموعه ی شکستگی های یان-تلر[3] قرار می گیرد [3].

 

Geometric structure of single crystal defect in graphene

شکل-3: ساختار هندسی نقص بلوری حفره یگانه در گرافن.

 

محققین بسیاری ساختار الکترونی گرافن را در حضور نقصهای بلوری نقطه ای بررسی کرده اند. نقص بلوری نقطه باعث افزاریش حالت های جایگزیده در اطراف تراز فرمی در موادی با هیبریداسون sp2 می گردد. برخی از این نقص ها و همچنین نقص بلوری استون-وال در گرافن باعث ایجاد گاف نواری ای به اندازه ی 0.3 eV می شود که در مهندسی گاف نواری گرافن اهمیت بسیاری دارد [5].

یاداو[4] و همکارانش به کمک رهیافت DTF[5] و با استفاده از برهمکنش های وندوالسی، به مطالعه ی تاثیر نقص بلوری حفره بر جذب هیدروژن توسط گرافن پرداختند (شکل-4). از آنجایی که گرافن های تولید شده ی تجاری ارزان قیمت دارای نقص های ساختاری بسیاری هستند، مطالعه ی نحوه ی جذب مولکول های هیدروژن بر روی گرافن هایی با چنین نقص بلوری از بسیار با اهمیت می باشد. این محققین قابلیت جذب مولکول هیدروژن بر روی چندین نوع نقص نقطه ای در گرافن را بررسی کردند (نقص استون-وال، حفره ی یگانه، حفره ی دوگانه، حفره ی سه گانه). برای تمامی این نقص های بلوری از دو تقریب، PBE-DFT و همچنین vdW-DF2 که برای برهمکنش های وندروالسی بلند برد مناسب است، استفاده شد. در این میان، حفره ی یگانه، بیشترین و قوی ترین انرژی بستگی را برای جذب هیدروژن بر روی گرافن با چنین نقص بلوری را نشان داد.

 

H adsorption on graphene with single crystal defect

شکل-4: مطالعه ی جذب هیدروژن بر روی گرافن با نقص بلوری حفره ی یگانه.

 

 

References

[1] F. Bonaccorso, A. Lombardo, T. Hasan, Z. Sun, L. Colombo, A.C. Ferrari, Materials Today, 15 (2012) 564-589.

[2] T. Li, X. Tang, Z. Liu, P. Zhang, Physica E: Low-dimensional Systems and Nanostructures, 43 (2011) 1597-1601.

[3] A.W. Robertson, J.H. Warner, Nanoscale, 5 (2013) 4079-4093.

[4] R. Ansari, S. Ajori, B. Motevalli, Superlattices and Microstructures, 51 (2012) 274-289.

[5] D.J. Appelhans, L.D. Carr, M.T. Lusk, New Journal of Physics, 12 (2010) 125006.

 


[1]Vacancy

[2]Stone-Thrower-Wales

[3]Jhan-Teller

[4]Yadav

[5]Density Functional Theory (DFT)

نظرات


تصویر امنیتی تصویر امنیتی جدید

7 روز هفته، 24 ساعته پاسخگوی شما هستیم

social 16social 13social 09 social 05