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
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

7 روز هفته، 24 ساعته پاسخگوی شما هستیم

social 16social 13social 09 social 05