صفحه اصلی | ان آر تی سی | صفحه اصلی<

09392522438  
   EN | FA
مدیر ارشد

مدیر ارشد

یکشنبه, 19 آبان 1398 ساعت 23:57

گرافاین و گرافداین

 

گرافاین و گرافداین 

 

گرافاین یکی از آلوتروپ های کربن است.

این ماده از اتم های کربن که با هیبریداسیون sp و sp2 در صفحه ای به ضخامت یک اتم با هم پیوند تشکیل داده اند شکل یافته است. با وجود آنکه پایداری این ماده بصورت تئوری تایید شده است اما تاکنون بصورت تجربی تنها تکه های مولکول گونه ای از آن بصورت واقعی سنتز شده است [1].

با این وجود، ساختار گرافاین تنوع بسیاری دارد که برخی از این ساختارها در شکل-1 نشان داده شده اند.

 

 

Graphyne Graphdiyne

شکل-1: از سمت چپ: گرافن، α-گرافاین، β-گرافاین، δ-گرافاین.

 

وجود گرافاین از سال دهه ی 1960 پیشبینی شده بود و پس از کشف فولورن مورد توجهات بیشتری را به خود جلب کرد [2]. از دهه ی 1980 مطالعات تئوری گسترده ای بر روی ساختارهای گرافاین صورت گرفت.

در واقع گرافاین یکی از گونه های گرافن است که که به کمک پیوند استیلنی، شش ضلعی های گرافن را به هم متصل می کند. در شکل-2 ساختار هندسی γ–گرافاین نشان داده شده است.

 

 

Geometric structure of y-graphene

شکل-2: ساختار هندسی γ-گرافاین.

گرافاين يك نام عمومي براي خانواده دو بعدي از اتم هاي كربن است كه ويژگي هايي از قبيل :

چگالي كم

انرژي تشكيل پايين

استحكام حرارتي بالا

و خواص الكترومكانيكي بالا دارد.

گرافاین یک چند شکلی مانند گرافن است که بین نزدیکترین همسایه ­های هگزاگونال آن پیوند­های کربنی وجود دارد (شکل-2).

قطعات کوچکی از این ساختارهای دوبعدی قبلا سنتز شده اند [1]. بسیاری از اشکال مختلف این ساختارها با در نظر گرفتن پایداری شیمیایی آن ها می­توانند طراحی گردند. در آینده این ساختارها ممکن است همانند سنتز گرافن روی سطح فلز بروش بخار شیمیایی از مولکول­ های آلی، با استفاده از سطوح به عنوان نگه دارنده سنتز شود.

همچنینسنتز نانو لوله از جنس گرافاین، بین یک قالب آندی اکسید آلومینیوم که با ورقه ای از مس پوشیده شده انجام گرفته است [3]. آزمایشات نشان داده است که این نیمرسانا رسانندگی ای دارد که به رسانندگی سیلیکون نزدیک است.

گرافاین حفره­های طبیعی بیشتری نسبت به گرافن دارد. در واقع فاصله بین حلقه ­ها در این ساختار زیادتر بوده و بنابر­این داوطلب­های مختلفی را برای پذیرش دوپینگ نوع nو pیا جذب گاز و ... می پذیرد. این امرباعث افزایش کاربردهای این نانو ساختار می­گردد. گرافاین حالت خاصی از گرافداین است که بین حلقه ­های کربنی آن تنها یک پیوند سه گانه وجود دارد. در واقع یک سوم از پیوند های کربن-کربن در گرافن با پیوند­های سه گانه استیلنی جایگزین شده­اند.

 

Geometric shape of graphene

شکل ‏118: شکل هندسی گرافداین.

به دلیل داشتن هیبریداسیون sp2 و sp وحفره های ذاتی قابل مقایسه نسبت به گرافن کاربردهای وسیع تری دارد. زیرا در گرافن فقط اسپین های sp2 داریم بنابراین در کاربردهای جذب اوربیتال های spنقش مهمی ایفا می کند و جذب را پایدارتر می کند. گاف انرژی نانوریبون های گرافداین بالبه آرمیچر در رنج 0.54-0.97eVو برای لبه زیگزاگ 0.73-1.65 eV است.

گاف نواری بزرگ و قابل تنظیم فاکتور مناسبی برای کاربرد قطعات های الکترونیکی است، به همین دلیل احتمال زیادی وجود دارد که در آینده ای نه چندان دور برای ارتقاء خواص الکتریکی، اپتیکی و مکانیکی از قطعات الکترونیکی از گرافداین استفاده می شود زیرا گرافن علی رغم خواص ویژه ای که دارد اما گاف نواری صفر آن باعث محدودیت کاربردش در ترانزیستورهای FET ، سوئیچ های پرسرعت و ... می شود [3].

 

References

[1] D. Malko, C. Neiss, F. Viñes, A. Görling, Physical review letters, 108 (2012) 086804.

[2] A.T. Balaban, C.C. Rentia, E. Ciupitu, REVUE ROUMAINE DE CHIMIE, 13 (1968) 231-+.

[3] G. Li, Y. Li, X. Qian, H. Liu, H. Lin, N. Chen, Y. Li, The Journal of Physical Chemistry C, 115 (2011) 2611-2615.

 


[1]Graphyn

[2]Graphdiyne

یکشنبه, 19 آبان 1398 ساعت 23:43

بور-نیترید

 

برم-نیتراید با ساختار هگزاگونال (هگزاگونال بور-نیترید)

 

برم و نیتروژن در کنار هم می توانند ساختاری مشابه با آنچه اتم های کربن در گرافن می سازند، پدید بیاروند.

در این حالت، تعداد مساوی از اتم ها برم و اتم نیتروژن در کنار هم ساختار هگزاگونال شکلی با هیبریداسیون sp2 پدید می آورند که به آنها h-BN می گویند (شکل-1).

 

 

Geometric form of bromine-nitride

شکل-1: شکل هندسی برم-نیتراید

 

بصورت سنتی از پودر این ماده به عنوان روان کننده استفاده می شده است. تک لایه ی BN نیمه رسانا بوده و گاف نواری پهنی به اندازه ی 5.9 eV دارد [1]. به خاطر همین گاف نواری بسیار خوب برم-نیتراید برای کابردهای الکتریکی بسیار مناسب می باشد. همچنین به خاطر گاف بزرگ و مستقیمش برای تابش نور فرا بنفش نیز قابل استفاده است.

به تازگی ساختارهای دو بعدی h-BN به واسطه ی عایق بودن ذاتی و پایداری شیمیایی بالایی که دارند مورد توجه بسیاری قرار گرفته اند.

استفاده از لایه ی نازک h-BN به عنوان لایه ی دی الکتریکِ گیت در ساختار ترانزیستورهای مبتنی بر گرافن، عملکرد این نوع ترانزیستورها را به شدت افزایش داده است [2].

محققین نشان داده اند که ساندویچ کردن یک لایه ی گرافن میان دو لایه ی BN بصورت BN-گرافن-BN که به یک زیرلایه متصل است و بر روی این پیکر بندی نیز یک گرافن دیگر نشانده شده است، نارسانا خواهد بود. در این پیکربندی، لایه گرافنی دوم، گودال الکترون-حفره ی گرافن ساندویچ شده را پوشش داده و منجر به نارسانا شدن گرافن می گردد [3].

به واسطه ی ساختار هگزاگونالی BN و نزدیک بودن اندازه ی پارامتر شبکه ی آن با گرافن، این ماده بخت بسیاری برای استفاده در قطعات الکترونی مبتنی بر گرافن یافته که می تواند به افزایش پایداری و کیفیت این قطعات کمک کند.

بطور کلی، ناخالصی های ناشی از بار و القائات ناشی از نقص ساختار می تواند منجر به تنزل تحرکات ناشی از اثر میدان و دیگر خواص FET ها گردد. از همین روی کنترل ضخامت و یکپارچگی یک لایه ی فوق نازک دی الکتریک برای ساختار گیت، برای افزایش عملکرد و پایداری اینگونه قطعات بسیار مهم است. همچنین، گاف نواری تک لایه ی h-BN مشابه ساختار کپه ای تک بلور آن بوده (تقریبا 5.9 eV) اما ولتاژ قطع صفحات h-BN به تعداد لایه های آن بستگی دارد.

 

 

References

[1] Y. Kubota, K. Watanabe, O. Tsuda, T. Taniguchi, Science, 317 (2007) 932-934.

[2] C.R. Dean, A.F. Young, I. Meric, C. Lee, L. Wang, S. Sorgenfrei, K. Watanabe, T. Taniguchi, P. Kim, K.L. Shepard, Nature nanotechnology, 5 (2010) 722-726.

[3] L.A. Ponomarenko, A.K. Geim, A.A. Zhukov, R. Jalil, S.V. Morozov, K.S. Novoselov, I.V. Grigorieva, E.H. Hill, V.V. Cheianov, V.I. Fal’Ko, Nature Physics, 7 (2011) 958-961.

یکشنبه, 19 آبان 1398 ساعت 01:03

نانونوار یا ریبون های گرافن

نانونوار یا ریبون های گرافن را بشناسیم

 

دانشمندان معاصر، مهندسین و سرمایه گذاران پیش بینی می کنند که علم نانو مسیری است به سوی میدانی وسیع اما در ابعادی کوچک. تلاش محققین در هرچه کوچکتر کردن ابعاد دستگاه های میکروالکترونیک در سال های اخیر بسیار شدت یافته و در ابعاد بسیار پایین پدیده ای به نام محدودیت کوانتومی[1] الکترون ها در نانو ساختار ها، می تواند ابزار قدرتمندی برای کنترل خواص الکتریکی، نوری، مغناطیسی، ترموالکتریکی این مواد پیشرفته باشد.

 

انواع نانوساختارهایی که تا کنون سنتز شده اند عبارتند از:

نانولوله[2] ها

نانوریبون ها

نانو میله[3] ها

نانوسیم[4] ها

و نقاط کوانتومی.

در این میان، نانوریبون ها یکی از مهمترین اعضای خانواده ی نانومواد یک بعدی است که ساختارش بطور گسترده مورد مطالعه ی محققین قرار گرفته و انتظار می رود که کاندید خوبی برای حسگر، مبدل و تشدید کننده نانو مقیاس باشد. جذابیت های پژوهشی نانوریبون ها ناشی از مورفولوژی، خواص فیزیکی، الکترونیکی و نوری منحصر به فرد این ساختارها است.

 

در میان تمامی ساختارهای کربنی، یکی از انواع ساده ی ساختارهای مشابه گرافن، ریبون های گرافنی با عرضی به ابعاد چند نانومتر هستند که بسیار مورد مطالعه قرار گرفته اند [1]. اهمیت این ساختار در کاربردهای آن ها در قطعات الکترونیکی و ترانزیستور ها می باشد که به تازگی روش های متعددی برای استفاده از این ساختارها در این قطعات ابداع شده است. نانوریبون های گرافنی نیز با روش های متعددی مانند برش های مکانیکی گرافن های ورقه ورقه شده و یا با روش های برآرایی[5] با استفاده از ماسک های ویژه ای تولید می شوند.

از زمانی که ریبون های گرافنی مورد توجه قرار گرفته اند، مطالعات بسیاری بر روی ساختار الکترونی این مواد و تاثیر تغییر پهنا و عرض این ماده بر روی خواص مختلف آن با روش های مختلفی مانند تقریب بستگی قوی و تئوری تابعی چگالی صورت گرفته است. این محاسبات نشان دادند که [6]GNR ها با لبه های آرمچیر، هم می توانند فلز باشند و هم نیمه رسانا، و گذار میان این دو حالت با توجه به تغییر عرض GNR رخ می دهد. و GNR هایی با لبه های زیگزاگ همگی فلز هستند [2].

در سال 2006، یانگ و همکارانش نشان دادند که GNR هایی که لبه های آنها توسط هیدروژن اشباع شده اند، همگی گاف نواری مستقیم و غیر صفری دارند [3]. به علاوه آنها نشان دادند که اندازه ی گاف نواری تابعی از پهنای GNR ها می باشد.

این محاسبات به کمک رهیافت تئوری تابعی چگالی و تقریب چگالی (اسپینی) جایگزیده[7] انجام شده است.

 

 

Geometric shape of graphene nanoribbons

شکل-1: شکل هندسی نانوریبون های گرافنی: a) آرمچیر، b) زیگزاگ.

 

References

[1] M. Ezawa, Physical Review B, 73 (2006) 045432.

[2] M. Fujita, K. Wakabayashi, K. Nakada, K. Kusakabe, Journal of the Physical Society of Japan, 65 (1996) 1920-1923.

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

 


[1]Quantum Confinement

[2]Nanotube

[3]Nanorod

[4]Nanowire

[5]Epitaxy

[6]Graphene Nanoribbons

[7] Local (Spin) Density Approximation )LSDA(

یکشنبه, 19 آبان 1398 ساعت 00:21

آلایش در گرافن (doping)

آلایش در گرافن و تاثیر آن بر خواص این ماده

گرافن داپت شده با نیتروژن

با توجه به تنوع بسیار زیاد در فرهای مختلف ساختار گرافن و خواص منحصر به فرد این ماده، به تازگی مورد توجه محققین جهت استفاده در ابرخازن های قرار گرفته است. نیتروژن، در جدول تناوبی عناصر در کنار کربن قرار داشته و الکترون نگاتیوی آن از کربن بیشتر است، به همین دلیل جایگزین کردن یکی از اتم های کربن در گرافن منجر به تغییر در ساختار الکترونی آن می گردد. بر همین اساس، گرافن داپت شده با نیتروژن بر اساس ساختار ویژه اش کاندید امیدبخشی جهت ارتقاء عملکرد ابر خازن ها، باتری های لیتیومی، و ترانزیستورها می باشد [1].

ترکیب نیتروژن با گرافن می تواند سه نوع ساختار متفاوت را شکل دهد:

گرافیتی-[1]N

پیریدینیک-N[2]

و پیرولیک-[3]N(شکل-1).

در نوع گرافیتی-N اتم نیتروژن داپت شده جایگزین یکی از اتم های حلقه ی هگزاگونال گرافن می شود.

اما در ساختارهای پیریدینیک-N و پیرولیک-N، الکترون های اوربیتال π پیوندهایی با هیبریداسیون، به ترتیب، sp2 و sp3 تشکیل می دهند [2].

Different structures induced by nitrogen atom dopants in graphene

شکل-1: ساختارهای مختلف ناشی از داپت اتم نیتروژن در گرافن.

 

بر اثر داپینگ نیتروژن، تراز فرمی به بالا ی نقطه ی دیراک جابجا شده و سپس چگالی حالت ها در اطراف تراز فرمی به یک حالت ثابتی منتهی می شود که در نتیجه میان نوار رسانش و نوار ظرفیت گاف نواری ای تقریبا به اندازه ی 0.2 eV پدید می آید (شکل-2) [3].

به همین دلیل گرافن داپت شده با نیتروژن به عنوان کاندید مناسبی جهت استفاده در ادوات نیمه هادی بسیار مناسب است.

 

Band gap created by doping of nitrogen to graphene at point K

شکل-2: گاف نواری ایجاد شده بر اثر داپ نیتروژن به گرافن، در نقطه ی K.

 

گرافن داپت شده با برم

عنصر برم (B)، خواص منحصر بفرد و غیر قابل مقایسه ای دارد. به این دلیل که برم در جدول تناوبی عناصر در کنار کربن قرار دارد، محققین بسیاری امکان داپ برم را در گرافن بررسی کرده اند [4]. ساختار گرافن داپت شده با برم، به روش جالبی سنتز می شود.

در این روش اکسیدگرافیت در حضور اکسید برم (به عنوان منبع برم) بازپخت شده و گرافن داپت شده با برم تولید می گردد. به علاوه الکترون نگاتیوی برم از کربن کمتر است و از همین روی B-گرافن از خود پتانسیل خوبی جهت استفاده در واکنش کاهش اکسیژن (ORR[4]) نشان می دهد.

همچنین به دلیل پایداری و طول عمر بالا، به عنوان ماده ی اصلی کاتالیزور های مبتنی بر پلاتین (Pt) مورد استفاده قرار می گیرد. علاوه بر این، مطالعات مبتنی بر رهیافت DFT نشان داده اند که داپت برم در گرافن منجر به القاء چگالی اسپینی بالاییدر ساختار گرافن می گردد که نقش بسیار تاثیرگذاری بر جذب اکسیژن و مولکول OOH در مقایسه با گرافن خالص دارد [5].

همانطوری که در شکل-3 نشان داده شده است، از آنجایی که اتم برم تنها سه الکترون در لایه ی ظرفیت دارد، اوربیتال pz آن خالی خواهد بود، در مقابل تک الکترون درون اوربیتال نیمه پر pz اتم کربن همسایه در آن یک چگالی اسپینی جایگزیده القاء می کند. از آنجایی که الکترون نگاتیوی اتم برم از اتم کربن کمتر است، پیوند تشکیل شده بیشتر به سمت کربن متمایل می شود و در نتیجه این جایگاه قطبیده ی پدید آمده در ساختار گرافن داپت شده با برم، به عنوان سایت فعال کاتالیز می تواند عمل کند. 

 

How to fill carbon and bromine pz orbitals in B-graphene

شکل-3: نحوه ی پر شدن اوربیتال های pz کربن و برم در B-گرافن.

 

گرافن داپت شده با گوگرد

نخستین بار ساختار الکترونی گرافن داپت شده با گوگرد بصورت تئوری محاسبه شد، که نشان داد این ترکیب با توجه به درصد سولفور داپت شده در گرافن، می تواند نیمه رسانایی با گاف نواری کوچک و یا یک فلز باشد [6]. دنیس[5] و همکارانش در این تحقیق نشان دادند که حتی یک تک اتم گوگرد در یک صفحه ی گرافنی 5×5 می تواند تاثیر جدی در ساختار نواری این ماده پدید بیارورد. محاسبات آنان که با نرم افزار محاسباتی SIESTA انجام شد نشان داد که گوگرد در این صفحه ی گرافنی گاف نواری ای به اندازه ی 0.3 eV و یک پیک بسیار تیز در نزدیکی تراز فرمی به وجود می آورد (شکل-4).

 

The density of graphene states a before sulfur doping b after sulfur dubbing

شکل-4: چگالی حالت های گرافن، a) قبل از داپ گوگرد، b) بعد از داب گوگرد.

 

برای سنتز S-گرافن، از هر دو ماده ی سولفید هیدروژن و دی سولفید بنزیل به عنوان مواد تامین کننده ی گوگرد، به همراه اکسید گرافن استفاده می شود.

 

گرافن داپت شده با سیلیسیم

تحقیقات تئوری و تجربی بسیاری جهت اصلاح عملکرد سنسوری گرافن جهت شناسایی مولکولهای مختلف انجام شده است. مکانیزم این سنسورهای گازی بر مبنای تغییر رسانندگی الکتریکی گرافن به واسطه ی انتقال بار میان گرافن و ماده ی جذب شونده می باشد. اکثر مطالعات نشان می دهند که گازهای NO، NO2 و ... که به عنوان گازهای آلاینده می شناسیم، بصورت فیزیکی بر روی گرافن خالص جذب می شوند. داپ سیلیسیم (Si) در گرافن بسیار کمیاب است، اما به تازگی محققین جهت استفاده در کاتالیزورهای مبتنی بر گرافن به سراغ این ماده نیز رفته اند. تا کنون گزارشی مبنی بر استفاده از Si-گرافن در در کاتالیست ها ارائه نشده است.

زاهو و همکارانش [7] به کمک رهیافت تئوری تابعی چگالی (DFT) به بررسی جذب گازهای NO، N2O و NO2 بر روی Si-گرافن پرداختند و نشان دادند که این ماده می تواند سنسور بسیار خوبی برای شناسایی گازهای NO و NO2 باشد. داپ اتم Si در گرافن باعث جابجایی نوار رسانش گرافن شده و آن را کمی به بالاتر منتقل می کند در نتیجه گاف نواری بسیار کوچکی به اندازه ی 0.054 eV در این ماده به وجود می آید (شکل-5). با وجود آنکه Si چهار ظرفیتی است اما در این ساختار به دلیل طول پیوند های بلند تری که با اتم کربن تشکیل می دهد (Si-C) ساختار هرم شکلی پیدا می کند و به همین دلیل هیبریداسیون sp3 به خود می گیرد، که همین هیبریداسیون منجر به ایجاد ترازهای جایگزیده در اطراف تراز فرمی شده و تاثیر کوچکی بر ویژگی های شبه فلزی گرافن می گذارد.

 

Geometric shape and band structure of graphene doped with silicon

شکل-5: شکل هندسی و ساختار نواری گرافن داپت شده با سیلیسیم.

 

 

References

[1] Y. Lu, Y. Huang, M. Zhang, Y. Chen, Journal of nanoscience and nanotechnology, 14 (2014) 1134-1144.

[2] X.-K. Kong, C.-L. Chen, Q.-W. Chen, Chemical Society Reviews, 43 (2014) 2841-2857.

[3] D. Usachov, O. Vilkov, A. Gruneis, D. Haberer, A. Fedorov, V.K. Adamchuk, A.B. Preobrajenski, P. Dudin, A. Barinov, M. Oehzelt, Nano letters, 11 (2011) 5401-5407.

[4] A. Lherbier, X. Blase, Y.-M. Niquet, F. Triozon, S. Roche, Physical Review Letters, 101 (2008) 036808.

[5] X. Kong, Q. Chen, Z. Sun, ChemPhysChem, 14 (2013) 514-519.

[6] P.A. Denis, R. Faccio, A.W. Mombru, ChemPhysChem, 10 (2009) 715-722.

[7] Y. Chen, B. Gao, J.-X. Zhao, Q.-H. Cai, H.-G. Fu, Journal of molecular modeling, 18 (2012) 2043-2054.

 


[1]Graphitic N

[2]Pyridinic N

[3]Pyrrolic N

[4] Oxygen Reduction Reaction

[5]Denis

شنبه, 18 آبان 1398 ساعت 23:45

نقص بلوری در گرافن

 

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)

شنبه, 11 آبان 1398 ساعت 23:44

گرافن

 

گرافن چیست و چه ویژگی هایی دارد؟


گرافن صفحه ی دوبعدی (2D) از اتم های کربن است که بصورت لانه زنبوری در کنار یکدیگر چیده شده اند. این ماده معروفترین ساختار در میان سایر ساختارهای کربنی است. کربن در ابعاد دیگر نیز ساختار های منحصر به فردی دارد، به عنوان مثال در سه بعد، گرافیت (3D)، یک بعدی (1D) نانولوله های کربنی، و در صفر بعد (0D) فولرن یا کربن 60 که آنها باکی بال هم می گویند.

 

شکل 1 فرم های گرافنشکل 1: فرم های مختلف ساختارهای کربنی: گرافن، گرافیت، نانولوله کربنی، فولرن.


جداسازی گرافن از گرافیت به روش مکانیکی و کشف ویژگی های غیر معمولی این ماده منجر به گشوده شدن زمینه های تحقیقاتی و صنعتی گسترده ای شد [5]. خواص غیرطبیعی بسیاری درباره ی این ماده گزارش شده است مانند، جذب تنها 2.3% از طیف نور مرئی، سطح تماس بالا، مدول یانگ بسیار زیاد، رسانندگی حرارتی بسیار خوب و ... . به خاطر همین خواص قابل توجه، استفاده از گرافن در طیف وسیعی زمینه ها شامل، ساخت قطعات الکترونیکی، قطعات اپتیکی، تولید و خیره سازی انرژی، ساخت مواد هیبریدی، سنسورهای شیمیایی و حتی تعیین توالی DNA، صورت گرفته است [6].

ساختار هندسی گرافن
گرافن دارای ساختار شش گوشه ی لانه زنبوری است که در شکل (2) دیده می شود. در این ساختار، هر اتم کربن با 3 اتم کربن نزدیک خود پیوند برقرار می کنند. پیوند بین اتم های کربن بصورت پیوند سیگما بوده و طول این پیوندها تقریبا 1.42 آنگسترم می باشد و زاویه پیوندی برابر 120 درجه است. اربیتال هر اتم کربن بر صفحه گرافن عمود است. شبکه ی براوه ی گرافن را می توان به کمک یک سلول واحد هگزاگونال دو اتمی بسط داد. طول بردار شبکه ی این سلول واحد، a=√3 a_(C-C)=2.46 A^0 می باشد. بردارهای پایه همان طور که در شکل (2) نشان داده شده¬اند به صورت زیر تعریف می شوند .

 

شکل 2 ساختار بلوری گرافنشکل2: ساختار بلوری گرافن

 


(1) a ⃗_1=a(√3/2,1/2)
(2) a ⃗_2=a(√3/2,-1/2)

در این روابط ثابت شبکه می باشد.



ساختار الکترونی گرافن
شبکه ی معکوس گرافن نیز مانند شبکه ی مستقیم آن، دارای ساختار هگزاگونال می باشد ولی به اندازه ی 90 درجه نسبت به آن چرخیده است. یاخته¬ی واحد و منطقه ی اول بریلوئن مربوطه در شکل (3) نشان داده شده است. بردارهای پایه¬ی شبکه¬ی وارون به وسیله¬ی دسته رابطه¬های (3) و (4) داده می شوند. سه نقطه، با تقارن بالا در شبکه وارون Г، K و M به عنوان مرکز، گوشه و مرکز لبه ی شش گوشی در شبکه¬ی وارون تعریف می شوند و در محاسبه ساختار باند از اهمیت ویژه ای برخوردار هستند که در شکل (3) نشان داده شده¬اند. نقطه¬ی Г جایی است که در آن |K ⃗ |=0 باشد و K ⃗ بردار موج می باشد و مختصات سایر نقاط تقارنی نسبت به این نقطه به صورت زیر خواهد بود:
(3) ΓM=(2π/(√3 a),0)
(4) ΓK=(2π/(√3 a),2π/3a)

شکل 3 یاخته ی واحد

شکل 3: یاخته ی واحد (شکل سمت چپ) و منطقه ی اول بریلوئن (شکل سمت راست) گرافن

 

براساس این اطلاعات، ساختار نواری گرافن را در مسیر M-Γ-K-M رسم می کنند. نمودار ساختار نواری گرافن هیچگونه گافی ندارد یعنی نوار رسانش و ظرفیت آن در نقطه ای به هم میرسند. اگر در نمودار ساختار نوارهای انرژی ماده ای بین نوار رسانش و ظرفیت فاصله ای وجود داشته باشد به این فاصله که بر حسب eV گزارش می شود، گاف می گویند. نوار رسانش و ظرفیت گرافن در نقطه ی K بر روی سطح فرمی یکدیگر را قطع می کنند و گاف را ازبین می برند.

 


شکل 4 ساختار نواری گرافن
شکل4 : نمودار ساختار نواری گرافن (سمت راست)، نمودار چگالی حالت ها-DOS (سمت چپ پایین)، نمودار چگالی حالت های موضعی-PDOS (سمت چپ بالا)


 

شنبه, 11 آبان 1398 ساعت 23:30

مواد دوبعدی

 

مواد دو بعدی به چه موادی می گویند؟

 

مواد دوبعدی (2D) یکی از مهمترین دسته از مواد می باشند که در طول تاریخ مورد مطالعه ی گسترده قرار گرفته اند. این محبوبیت مواد دو بعدی به واسطه ی محدود شدن بارها و همچنین جریان گرما در یک صفحه ی دو بعدی است که منجر به پدیده های فیزیکی غیرمعمولی می گردد.

بسیاری از مواد در حالت دو بعدی خواص منحصر به فردی می یابند که در ساختار های سه بعدی این خواص را از خود نشان نمی دهند. به عنوان مثال اکسید های مس و ترکیبات خاص آهنی، در فاز دو بعدی خواص ابررسانایی در دمای بالا از خود بروز می دهند که به همبستگی شدید الکترون ها وابسته است که تنها در فاز دو بعدی رخ می دهد [1].

در سال 2004، کشف گرافن تک لایه توسط نووسلو[1] و جیم[2] نشان داد که این ماده تنها ماده ی دوبعدی ممکن نیست و دیگر ترکیبات دوبعدی نیز می توانند پایدار بوده و بصورت مستقل تولید شوند و این دسته از مواد می توانند به واسطه ی ساختار دو بعدی خود، خواص سحرآمیز و منحصر به فردی از خود بروز دهند [2].

در ساختار نواری گرافن تک لایه، شکل نمودار تابع پاشندگی انرژی در نقطه ی K منجر به رخ دادن پدیدهای جدیدی مانند اثر کوانتوم هال در دمای اتاق شده است. از همین روی گرافن تک لایه که ضخامتی به اندازه ی تنها یک اتم دارد، رسانندگی الکتریکی و هدایت گرمایی خارق العاده ای از خود بروز می دهد. و به همین دلیل این ماده برای کاربردهایی مانند ترانزیستورها، رساناهای شفاف و مواد واسط حرارتی پیشنهاد می شود [3].

 

در حال حاضر، تعداد بسیار زیادی از اتم های جدول تناوبی عناصر که ساختارهای بلوری و سه بعدی متعددی با خواص مکانیکی، الکتریکی و ترابردی خاص خود را دارند، قادر به پایدار ماندن در فاز دوبعدی نیز می باشند و در این فاز خواص کاملا متفاوتی را از خود بروز می دهند. دهه ها پیش از این فریند[3] و همکارانش ثابت کردند که موادکپه ای اما با ساختار لایه ای که لایه های آنها به واسطه ی برهمکنش وندوالسی در کنار یکدیگر قرار گرفته اند می توانند بصورت لایه هایی با ضخامت بسیار کم و یا حتی بصورت تک لایه با روش های مکانیکی و یا شیمیایی از کپه ی اصلی تراشیده شوند [4]. تلاش های محققیق تجربی تنها توانسته است بخش کوچکی از ویژگی های این ماده ی منحصر بفرد را شناسایی کند.

اخیرا با افزایش توجه محققین به این ماده ی ارزشمند به تدریج جایگاه فوق العاده ی مواد دوبعدی آشکار تر شده است. به علاوه، در 10 سال گشته روش های تولید متنوعی برای سنتز، شناسایی و تولید انبوه گرافن ابداع شده که قابل استفاده برای تولید سایر مواد دوبعدی نیز هست.

تعداد زیادی مواد نو و بدیع به تازگی با این روش ها سنتز شده اند که تا پیش از این تنها در قلمرو تئوری وجود داشته اند. این مواد شامل عناصر گروه IV و II-VI نیمه رساناهای مشابه گرافن/گرافان (هیبرید sp2/ به واسطه ی جذب H هیبرید sp3) و همچنین ساختارهایی به نام سیلیسن[4] و ژرمانن[5] می باشند. مشابه گرافن، این مواد نیز در حالت دو بعدی خواصی کاملا متفاوت از حالت کپه ای خود دارند.

 

 

 

References

[1] J.G. Bednorz, K.A. Müller, Possible high T c superconductivity in the Ba—La—Cu—O system, in: Ten Years of Superconductivity: 1980–1990, Springer, 1986, pp. 267-271.

[2] K.S. Novoselov, A.K. Geim, S.V. Morozov, D. Jiang, Y. Zhang, S.V. Dubonos, I.V. Grigorieva, A.A. Firsov, science, 306 (2004) 666-669.

[3] S. Stankovich, D.A. Dikin, G.H.B. Dommett, K.M. Kohlhaas, E.J. Zimney, E.A. Stach, R.D. Piner, S.T. Nguyen, R.S. Ruoff, nature, 442 (2006) 282-286.

[4] P. Joensen, R.F. Frindt, S.R. Morrison, Materials research bulletin, 21 (1986) 457-461.

 


[1]Novoselov

[2]Geim

[3]Frindt

[4]Silicen

[5]Germanane

شنبه, 11 آبان 1398 ساعت 22:40

نانو حسگر

 

 

نانوحسگرهای مبتنی بر گرافن


نانو حسگرها از لحاظ بعد هندسی به 8 حالت نانولوله، نانوفیبر، نانوسیم، نانو حفره، نانوکاوشگر، نانوذره، نقاط کونتومی و نانوفیلم تقسیم می شوند.

اساس نانوحسگرها به دست آوردن اطلاعات در ابعاد اتمی و انتقال آن به حالت ماکروسکوپیک برای آنالیز داده هاست.

مکانیسم تشخیص از طریق دقت در شناسایی اتم ها یا مولکول های خاصی است که به وسیله ی اندازه گیری تغییر حجم، غلظت، جابجایی، فرکانس، سرعت، الکتریسیته، نیروهای مغناطیسی و دما شناسایی می شوند. نوع متغیرهایی که با نانوحسگر شناسایی می شود به شش گروه تقسیم بندی می شود: متغیرهای مکانیکی، الکتریکی، نوری، شیمیایی، حرارتی و مغناطیسی. محدودیت نانوحسگر در اندازه گیری رسانایی الکتریکی در نیم رساناها یک بحث جدی بوده و بسیاری از کارهای ارائه شده تاکنون از تشخیص گارها با انرژی جذب پایین و غلظت های متفاوت گاز ناتوانو بوده و همچنین وابستگی حساسیت نانوحسگرهای نیمه رسانا در شرای محیطی یکسان، متفاوت است.

 

nanosensor2


در میان موادنانو، نانولوله های کربنی و صفحات گرافنی، کاربردی گسترده در نانو حسگرها دارند زیرا دارای خواص مکانیکی و الکتریکی ویژه ای هستند و دامنه ی فرکانسی و حسگری بالا داشته و جرم کمی نیز دارند و از این رو تعداد کمی از ااتم ها و مولکول های خارجی اطراف نانوحسگر، می تواند تغییر فراوانی را در فرکانس های تشدید و سرعت های موجی آن ایجاد کند. عموما تقسیم یندی طراحی نانو تشدید کننده ها به دو رش است: ارتعاشی (برای فرکانی تشدید) و انتشار موجی (برای سرعت های موجی)؛ که اساس آن ها شناسایی تغییر فرکانس تشدید یا سرعت های موجی در نانو حسگرهاست که ناشی از اتصال اتم های خارجی و مولکول ها با سطح حسگر است.

 

nanosensor3

 

 

چالش اصلی شناسایی تغییر قابل توجه در فرکانس های تشدید یا سرعت موج در وضوح بالاست. با توجه به کاربرد گسترده گرافن در تشخیص و آشکارسازی جرم های مختلف، به نظر می رسد که حین انجام عملیات آشکارسازی، خواص گرافن تغییر نماید و از همین تغییر خواص گرافن می توان جهت کاربردهای حسگری بهره های بسیاری برد.

 

 

دوشنبه, 06 آبان 1398 ساعت 15:17

نانو محاسبات

نانومحاسبات چیست؟
تئوری تابعی چگالی (Density Functional Theory - DFT) یکی از کارآمدترین روش های محاسباتی سیستم های بس ذره ای است و این به دلیل کارایی محاسباتی بالای آن، کاهش حجم محاسبات و دقت خوب آن در مقایسه با سایر روش ها است. اهمیتDFT هنگامی روشن تر می شود که بدانیم به خاطر آن جایزه نوبل شیمی در 1998 به کوهن یکی از بنیان گذاران آن داده شده است. کوهن و شم یک دستگاه فرضی شامل الکترون هایی که هیچ برهم کنشی برهم ندارند را در نظر گرفتند و در نهایت به معادلاتی رسیدند که با آن ها به صورت خود-سازگار خواص حالت پایه دستگاه را محاسبه کردند. پیدا کردن این انرژی به صورت کلی امکان ندارد بنابراین باید از روشهای تقریبی استفاده کرد که بعضی از این تقریب ها، تقریب چگالی موضعی (LDA) و تقریب شیب تعمیم یافته (GGA) است.
همانگونه که در شکل (1) دیده می شود DFT انقلابی در عرصه ی مطالعه ی تئوری جامدات و درشت مولکول ها پدید آورده و در سالهای اخیر رشد چشمگیر و فزاینده ای در بررسی خواص مواد و طراحی مواد جدید داشته است. تلاش های بسیاری جهت افزایش دقت محاسباتی مبتنی بر DFT انجام شده و به مدد توسعه ی سخت افزارهای کامپیوتری و افزایش توان پردازشی کامپیوترهای محاسباتی در دو دهه ی گذشته، امکان مطالعه ی سیستم ها و ساختار های بزرگتر و پیچیده تر را فراهم کرده است.

شکل 1: رشد خیره کننده ی انتشار مقالات مبتنی بر تئوری تابعی چگالی در سالهای اخیر.
دقت بالای پیشبینی های مبتنی بر روش های ابتدا به ساکن پیرامون خواص مواد گوناگون از دو جهت اهمیت بالایی می یابد. اولا، به شناخت دقیق پدیده ی در حال وقوع کمک می کند، ثانیا در مقابل کارهای آزمایشگاهی هزینه ی بسیار پایینی دارد. از آنجایی که کارهای تجربی بسیار سخت و پر هزینه می باشند، ثابت شده است که استفاده از روش های تئوری و شبیه سازی های کامپیوتری استراتژی بسیار موئثری در جهت کاهش هزینه و زمان صرف شده در جهت بررسی مواد گوناگون می باشد.
موضوعات تحقیقاتی که به کمک تئوری تابعی چگالی در حوزه ی شیمی محاسباتی و فیزیک محاسباتی می توان انجام داد به قرار زیر می باشد:
• بررسی خواص مکانیکی (نانولوله- نانوریبون- صفحات- ساختارهای بالک)
• بررسی خواص الکترونی
• بررسی خواص اپتیکی
• محاسبه ی ترابرد الکتریکی و اسپین
• بررسی جذب فیزیک و شیمیایی و خواص کاتالیستی
• بررسی خواص ترمودینامیکی
• مطالعه ی سطح خارجی ساختارها و آلیاژها
• سلول های خورشیدی
• باتری های لیتیوم/سدیم/منگنز و ...
• ابررساناها

 

دوشنبه, 06 آبان 1398 ساعت 14:50

ابر رسانا

ابررسانا و محاسبه ی دمای ابررسانایی به کمک DFT

 

ابررسانا (Superconductor) ماده ای است که زمانی که دمای آن از دمای مشخصه ای که دمای بحرانی (Critical Temperature) نام دارد کم تر شود، مقاومت الکتریکی آن به صفر می رسد و میدان مغناطیسی قوی تولید می کند. ابررسانایی هماند فرومغناطیس و خطوط طیفی اتمها، یک پدیده ی مکانیک کوانتومی است. در یک ابررسانا، وقتی ماده به زیر دمای بحرانی سرد می شود، مقاومت به صورت ناگهانی به صفر افت می کند.

در تئوری تابعی چگالی (DFT) امکان بررسی دمای ابررسانایی فراهم می باشد.

در این حوزه ی محاسباتی، می توان پروژه های کارشناسی ارشد و دکتری بسیاری را در رشته های شیمی، فیزیک، برق و مهندسی مواد تعریف کرد. در نرم افزارهای محاسباتی ای مانند Quantum ESPRESSO امکان محاسبه ی دقیق این پارامترها وجود داشته و نرم افزارهای جانبی دیگری نیز برای آنالیز های بیشتر و بدست آوردن نتایجی دقیق تر به منظور انتشار مقالات علمی در ژورنال های معتبر فراهم است.

 

 

مقالاتی که در این حوزه منتشر شده اند:

 

Hung, Linda, and Taner Yildirim. "First-principles study of magnetism, lattice dynamics, and superconductivity in LaFeSiH x." Physical Review B 97, no. 22 (2018): 224501.

Bao, Jin-Ke, Daniel E. Bugaris, Huihuo Zheng, Kristin Willa, Ulrich Welp, Duck Young Chung, and Mercouri G. Kanatzidis. "Superconductivity in Y 7 R u 4 InG e 12." Physical Review Materials 3, no. 2 (2019): 024802.

Chi, Zhenhua, Xuliang Chen, Fei Yen, Feng Peng, Yonghui Zhou, Jinlong Zhu, Yijin Zhang et al. "Superconductivity in Pristine 2 H a− MoS 2 at Ultrahigh Pressure." Physical review letters 120, no. 3 (2018): 037002.

 

صفحه3 از13

7 روز هفته، 24 ساعته پاسخگوی شما هستیم

social 16social 13social 09 social 05