صفحه اصلی | ان آر تی سی | صفحه اصلی<

09392522438  
   EN | FA
دوشنبه, 14 مهر 1399 ساعت 09:57

Hydrogenated Ψ-graphene as an ultraviolet optomechanical sensor

PSI (ψ)-graphene is a dynamically and thermally stable two-dimensional (2D) allotrope of carbon composed of 5-6-7 carbon rings. Herein, we study the opto/mechanical behavior of two graphene allotropes, Ψ-graphene and its hydrogenated form, Ψ-graphane under uniaxial and biaxial strain using density functional theory (DFT) calculations. We calculated the elastic constants and second Piola-Kirchhoff (PK2) stresses, in which both nanostructures indicate a similar elasticity behavior to graphene. Also, the plasmonic behavior of these structures in response to various strains has been studied. As a result, plasmonic peaks varied up to about 2 eV under strain. Our findings reveal that these two structures have a large peak in the ultraviolet (UV) region and can be tuned by different applied strain. In addition, Ψ-graphene has smaller peaks in the IR and UV regions. Therefore, both Ψ-graphene and Ψ-graphane can be used as UV optomechanical sensors, whereas Ψ-graphene could be used as an infrared (IR) and visible sensor.

 

CIF files:

- Ψ-graphene

- Ψ-graphane

 

Ref: https://pubs.rsc.org/en/content/articlepdf/2020/ra/d0ra03104f

 

 

 

 

منتشرشده در مقالات ما
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
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

7 روز هفته، 24 ساعته پاسخگوی شما هستیم

social 16social 13social 09 social 05