صفحه اصلی | ان آر تی سی | صفحه اصلی<

09392522438  
   EN | FA
شنبه, 25 آبان 1398 ساعت 16:35

داپینگ اتم در نانوریبون گرافنی

 

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

منتشرشده در مقاله

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

منتشرشده در مقاله
سه شنبه, 21 آبان 1398 ساعت 00:38

خواص الکترونی نانونوارهای زیگزاگ

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.

منتشرشده در مقاله
دوشنبه, 20 آبان 1398 ساعت 22:35

خواص الکترونی ریبون آرمچیر

 

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

منتشرشده در مقاله
دوشنبه, 20 آبان 1398 ساعت 22:08

ریبون های زیگزاگ و آرمچیر

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.

 

 

 

 

منتشرشده در مقاله
دوشنبه, 20 آبان 1398 ساعت 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)

منتشرشده در مقاله
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(

منتشرشده در مقاله
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

منتشرشده در مقاله
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)


 

منتشرشده در مقاله
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

منتشرشده در مقاله
صفحه1 از2

7 روز هفته، 24 ساعته پاسخگوی شما هستیم

social 16social 13social 09 social 05