صفحه اصلی | ان آر تی سی | صفحه اصلی<

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).

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