بخشی از مقاله
چکیده
در این مقاله تاثیرآلاینده اتم تیتانیوم بر خواص ساختاری و الکترونی نانولوله - 0، - 5در حالتی که اتم تیتانیوم در مرکز و مقابل یکی از شش ضلعی های نانولوله قرار دارد، مورد بررسی قرار می گیرد. محاسبات با استفاده از روش شبه پتانسیل، در چارچوب نظریه تابعی چگالی و با تقریب LDA و در بسته نرم افزاری کوانتوم اسپرسو انجام شده است. مطالعات نشان می دهد که پس از واهلش، میانگین فاصله اتم تیتانیوم از اتمهای بور و نیتروژن نزدیکترین شش ضلعی برابر2/1993 آنگستروم می باشد. آلاینده تیتانیوم می تواند نانولوله بور نیترید را از نیمه رسانا به رسانا تبدیل کند. مطالعه گشتاور دوقطبی الکتریکی بر پایه DFT و/6-31GB3LYPبا پکیج نرم افزاری گوسین 09 انجام گرفته است، نتایج نشان می دهد که گشتاور دوقطبی الکتریکی نانولوله بورنیترید - 0، - 5 بعد از آلاییده شدن توسط اتم تیتانیوم از مقدار 6/2816 D به مقدار 8/2235 D افزایش می یابد.
مقدمه
BN یک ترکیب دوتایی از عناصر گروه سوم و پنجم جدول تناوبی است که به دلیل ساختار و خواص ویژه اش، در مقایسه با دیگرعناصر گروه سوم و پنجم، شباهت بیشتری به ترکیبات کربن دارد.[1] نیترید بور ترکیبی شیمیایی با فرمول BN است، که ازتعداد مساوی اتمهای بور و نیتروژن ساخته شده.[2] همچنین نانولوله های بور نیترید موادی نیمه رسانا با شکاف انرژی پهن می باشند، که نانولوله با قطر بزرگتر دارای شکاف انرژی بزرگتر است.[3] با توجه به خواص فوق العاده نانولوله های بورنیترید،این نانولوله ها پتانسیل زیادی برای کاربرد در زمینه های مختلف دارند.
به طور مثال نانولوله های بور نیترید - - BNNT در مقایسه بانانولوله های کربن - CNT - نسبت به اکسیداسیون مقاوم تر هستند[2]، بنابراین می توان از آنها در کاربردهای دمای بالا استفاده کرد. نانولوله های بور نیترید به دلیل دارابودن گاف گسترده دارای خواص نیمه رسانایی بوده که کاندیدای خوبی برای استفاده درصنایع نانوالکترونیک و نانواپتیک می باشند. همچنین این نانولوله ها دارای خواص پیزوالکتریک عالی می باشند. آلاییدگی با فلزات واسطه می تواند نانولوله های بور نیترید را تبدیل به شبه فلز با خواص فرو مغناطیس نماید که کاربرد زیادی در اسپینترونیک دارد.[4] یکی دیگر از کاربردهای نانولوله های بور نیترید آلاییده شده با فلزات در ذخیره هیدروژن می باشد[5-7]
روش محاسباتی
محاسبات بر پایه تقریب بورن - اوپنهایمر و نظریه تابعی چگالی هوهنبرگ-کوهن [8] بوده و معادلات تکذره ای برای ساختار الکترونی در روش شبه پتانسیل با فرمولبندی کوهن-شم [9] وبه روش خودسازگار در بسته نرم افزاری کوانتم اسپرسو[10] حل میشوند. توابع ویژه الکترونی مربوط به معادلات کوهن-شم با انرژی جنبشی قطع 70Ry بر حسب امواج تخت بسط داده می-شوند. کلیه محاسبات در یک جعبه، با ابعاد 25×25×25 انجام گرفته است. دقت نیروها از مرتبه10-3و رشد نانولوله ها درراستای z می باشد. همچنین از بسته نرم افزاری گاوسین[11] و روش B3LYP/6-31G برای مطالعه قطبش پذیری نانولوله استفاده شده است.
ساختار
ساختار مورد مطالعه، نانولوله ی بورنیترید زیگزاگ 0 - ، - 5 و متشکل از 20 اتم بور و 20 اتم نیتروژن می باشد که دو سرآن با اتم های هیدروژن اشباع شده اند. شکل 1 طرحواره ای از این نانولوله را نشان می دهد.مقدار میانگین طول پیوند B-N درنانولوله بور نیترید بهینه شده دراین تحقیق برای نانولوله زیگزاگ 0 - ، - 5 برابر با 1/4417آنگستروم است، که نزدیک به عدد بدست آمده 1/4457 آنگستروم، درکارهای انجام شده قبلی می باشد .[12] این نانو لوله با 15حلقه لانه زنبوری - شش ضلعی - طولی برابر 7/11 آنگستروم دارد. برای مطالعه اثر ناخالصی اتم Ti روی نانو لوله بور نیترید 0 - ، - 5اتم Ti را در مقابل و وسط یکی از شش ضلعی های بور نیترید ودر فواصل مختلف از سطح نانولوله قرار داده و واهلش برای سیستم انجام می شود، نتایج نشان می دهد که با اضافه کردن اتم تیتانیوم سیستم به سمت پایداری بیشتر حرکت می کند.
انرژی جذب اتم تیتانیوم در نزدیکی سطح نانولوله برابر -4/29eVاست که در مقایسه با جذب تیتانیوم در نزدیکی سطح نانولوله کربن - انرژی جذب برابر 2/2 الکترون ولت - بیشتر بوده و ساختارپایدارتر می باشد.[13] که نشان می دهد جذب شیمیایی اتفاق افتاده است. شکل2 محل قرار گرفتن اتم تیتانیوم و شماره اتم های بور و نیتروژن را پس از واهلش نشان می دهد.میزان تغییر طول پیوندهای B-N شش ضلعی مقابل و نزدیک اتم تیتانیوم در جدول 1 آورده شده است.
همچنین مشاهده می شود که عمل جذب در فاصله میانگین2/1993Å از اتمهای بور و نیتروژن اتفاق می افتد، که فاصله اتم تیتانیوم تا اتم های بور / نیتروژن پس از جذب در جدول شماره 2آورده شده است.
چگالی حالت ها
شکل3 نمودار چگالی حالتها ی نانولوله را قبل و بعد از اضافه شدن اتم سدیم نشان می دهد. در این نمودارها، انرژی صفر نشان دهنده مکان تراز فرمی است که با خط عمود نشان داده شده است.همانطور که ملاحظه می شود بعد از اضافه کردن اتم سدیم نمودار چگالی حالتها به سمت چپ یا انرژی های پایینتر انتقال پیداکرده است، که بیانگر پایداری بیشتر ساختار می باشد، نانولوله بورنیترید - 0، - 5 دارای شکاف انرژی در حدود 2/25 الکترون ولت
می باشد که پس از آلاییده شدن با اتم تیتانیوم این شکاف انرژی کاملا از بین می رود و ساختار رسانا می شود. پیکهای مربوط به اربیتالهای3d و 4s اتم تیتانیوم در نقطه فرمی،عینا در نمودار چگالی حالتهای کلی ساختارنانولوله بورنیترید آلاییده شده با تیتانیوم مشاهده می شود که نشانه انتقال بار از اتم تیتانیوم به ساختار فوق است، که با توجه اختلاف الکترونگاتیویته بین تیتانیوم، بور و نیتروژن، کاملا طبیعی به نظر می رسد.همچنین بیشترین تاثیر آلاییدگی بر روی لایه رسانش می باشد.
چگالی بار الکترونی
در شکل 4 نمودار چگالی بارالکترونی نانولوله بورنیترید - 0، - 5 قبل و بعد از آلاییده شدن با اتم تیتانیوم نشان داده شده است. از مقایسه چگالی بار در دو حالت مشاهده می شود که توزیع بار در اطراف اتمهای بور و نیتروژن کاملا تغییر کرده است که با نتایج جدول 3 کاملا سازگار است. همچنین بین اتمهای بور و نیتروژن در شش ضلعی مقابل همپوشانی ضعیفی مشاهده می شود که با مطابق با نتایج به دست آمده در جول قبل دلیل بر انتقال بار بین اتم Ti و اتمهای B/N می باشد.
انتقال بار و گشتاوردوقطبی الکتریکی
یکی از کمیتهای مهمی که می تواند در پدیده جذب مورد توجه قرار گیرد، انتقال بار بین اتم آلاینده و اتمهای ساختار اولیه می باشد. همانطور که در جدول 3 مشاهده می شود در پایدارترین حالت بار اتم تیتانیوم به مقدار 0/367 e کاهش می یابد. اثر این جابجایی بار در میزان تغییر اندازه و جهت بردار ممان دوقطبی
