بخشی از مقاله
چکیده
ما از محاسبات نظریه تابعی چگالی و روش بستگی قوي براي مطالعه ساختار نواري سامانهي تک لایه گاما- گرافاین که در پایدارترین ساختار قرار دارد، استفاده کردیم. در این پژوهش، پارامترهاي جهش و انرژيهاي جایگاهی تک لایه گاما- گرافاین، که میتواند براي محاسبات میکروسکوپی مانند خواص تونلزنی مورد استفاده قرار گیرد، از مقایسه ساختار نواري بستگی قوي تک لایه گاما- گرافاین خالص و آلاییده شده با محاسبات نظریه تابعی چگالی - - DFT، بدست آورده می-شوند.
مقدمه
ساختار اتمی اعضاي بلورهاي دو- بعدي، میتواند خواص الکترونی و اپتیکی آنها را مشخص کند و ساخت این مواد براي انواع برنامههاي کاربردي مطلوب است. پیشرفتهاي اخیر در تحقیقات گرافین علاقهي زیادي در مورد مطالعه مواد دو- بعدي دیگر مانند ساختارهاي گاما- گرافاین، را ایجاد کرده است. گرافاین یک دگر شکل از گرافین است، که همانند گرافین یک لایه از اتم-هاي کربن با پیوندهاي اتمی متفاوت میباشد. گرافاینها میتوانند با جایگذاري اتمهاي کربن با پیوند سهگانه - c c - بین جفت پیوندهاي کربنsp 2 در گرافین با شکلگیري شبکه هیبریدي کربن روي یک شبکه ششگوشی دوبعدي بدست آیند.
گرافاینها انرژي ساختاري کم، چگالی بالا را شامل میشوند و خواص الکترونیکی، خواص مکانیکی و خواص اپتیکی جذابی را ارائه میدهند. گرافاینها مادهاي نیمرسانا با گاف نواري 0/52 eV و انرژي پیوند 7/95 - eV/atom - میباشند.[1-2] هدف در این پژوهش علاوه بر بررسی ساختار الکترونی گاما-گرافاین، استفاده از روش DFT و روش بستگی قوي براي پارامتري کردن شاخص جهش و انرژيهاي جایگاهی تک لایه گاما- گرافاین خالص و آلاییده شده، که میتواند براي محاسبات میکروسکوپی مانند خواص تونلزنی مورد استفاده قرار گیرد، می-باشد. همچنین روشهاي دیگري مبتنی بر توابع ونیر براي محاسبه دقیق این مقادیر ارائه شدهاند .[3] بنابراین، محاسبات اصول- اولیه درباره خواص الکترونی و پاسخ اپتیکی تک لایه گاما- گرافاین خالص و آلاییده شده - شکل 1 - الف - - - ج - - از علاقه زیادي به جامعه گرافین برخوردار است.
روش محاسبات
εi انرژي جایگاهی، ti,j جهش بین اتمها در سلول واحد، را نشان میدهد. جمع روي i و j بروي اتمها در سلول واحد انجام میشود. ساختار نواري از حل معادله det[H - k - -E - k - S - k - ]=0 بدست میآید که S - k - قدرت همپوشانی اوربیتالهاي اتمی است که در این محاسبات، بعلت کوچکی، از آن صرفنظر میکنیم. پس از توصیف مدل بستگی قوي براي تک لایههاي گاما- گرافاین خالص و آلاییده، بمنظور تعیین ساختار نواري از اینچنین ساختارها، محاسبات اصول اولیه لازم است.
هنگامیکه ساختار نواري حاصل از بستگی قوي را با نتایج محاسبات اصول اولیه تطابق دادیم، میتوان پارامترهاي تعریف شده در بالا را استخراج کنیم. در این پژوهش، محاسبات اصول اولیه بر اساس نظریه تابعی چگالی، با استفاده از بسته نرم افزاري کوانتوم- اسپرسو[5] 2 انجام و براي تعیین پتانسیل همبستگی- تبادلی از تقریب چگالی موضعی که توسط توسط پردیو و زانگر پارامتریزه شده، استفاده شده است. انرژي کل و سایر کمیتهاي مربوط به آن با استفاده از روش شبه-پتانسیل و روش موج تخت محاسبه شده است.
از آنجا که محاسبات به روش خود سازگار و براي مجموعه معینی از نقاط k درون منطقه اول بریلوئن انجام میشود، لذا دقت و سرعت محاسبات بستگی شدیدي به انتخاب صحیح پارامترهایی نظیر تعداد نقاط k و انرژي قطع دارد. براي دستیابی به دقت مناسب در محاسبات و کمینه کردن انرژي کل از نظریه هلمن- فاینمن تحت نمونه برداري از منطقه اول بریلوئن 16×16×1، بر پایه روش مونخورست- پک، و از انرژي قطع 600 eV براي هر یک از سلول واحدهاي شکل 1 استفاده کردهایم. ثابت شبکه و مکانهاي اتمی را بطور کامل واهلش کرده تا بیشترین نیروي وارد بر هر اتم کمتر از 0/02 eV/Å شود و براي بهینهسازي حجم، 20Å خلأ، براي جلوگیري از اندرکنش بین تک لایههاي گاما- گرافاین خالص و آلاییده شده است، استفاده شده است.
نتایج و بحث
در این بخش نتایج مربوط به انطباق ساختار نواري محاسبه شده از DFT، با نتایج محاسبه شده از TB، براي بدست آوردن پارامترهاي مربوط به خواص میکروسکوپی، را مورد بحث قرار میدهیم. بر این اساس در شکل 2 - الف - ، - ب - و - ج - ساختار نواري DFT و TB بترتیب، مربوط به تک لایه گاما- گرافاین خالص، تک لایه گرافاین به بورن آلاییده شده و تک لایه گرافاین به نیترید آلاییده شده در راستاهاي تقارنی رسم شده است. با توجه به کاربردهایی که گرافین و بلورهاي دو بعدي گاما-گرافاین، در تماسی نزدیک به یکدیگر، به ارمغان آوردهاند، علاقه-مندي بیشتري به نوارهاي انرژي ناشی از هیبریداسیون اوربیتالهاي pz، به اصطلاح نوارهاي- π، وجود دارد و میتوان نوارهاي- π مربوط به BN را با استفاده از روش بستگی- قوي مطالعه کرد.
براي تک لایه گاما- گرافاین، چهار پارامتر t2 ,t1 ,εC و t3 براي تنظیم کردن، نیاز است و براي تک لایه گرافاین به بورن آلاییده شده پنج پارامتر t2, t1, εC, εB و t3 و براي تک لایه گرافاین به نیترید آلاییده شده، نیز پنج پارامتر t2, t1, εC, εN و t3 با توجه به شکل 1 براي تنظیم کردن نیاز است. انطباق بین نتایج DFT و TB براي نوار ظرفیت عالی است، اما این انطباق براي نوار رسانش منجر به انطباق کامل نمیشود، گرچه نوار رسانش TB آنگونه که باید باشد، روندي مشابه با آنچه که از محاسبات اولیه بدست آمده را دنبال میکند.
