بخشی از مقاله
چکیده
گرافن یکی از منحصر به فرد ترین ساختارهای کربنی سات که به علت خواص ویژه الکتریکی و گرمایی که از خود نشان می دهد مورد توجه است.با اضافه کردن ناخالصی می توان خواص گرافن را تغییر داد.در این مقاله با استفاده از بسته شبیه سازی کوانتوم اسپرسو - - Quantum Espresso و نظریه تابعی چگالی باتقریب GGA اثر دوپ شدن اتم بورون بر قدرت جذب سیستم ،که از طریق انرژی جذب و فاصله پیوندی مشخص می شود، برای جذب مولکول اکسید مس - - CuO مورد تحقیق قرار گرفت.در آخر مقایسه ای بین نظریه تابعی چگالی و نظریه پتانسیل لنارد-جونز صورت می پذیرد.
مقدمه
گرافن سخت ترین و نازک ترین ماده ای است که بشر تاکنون به آن دست یافته است. این ماده با وجود این که ساختار متراکمی دارد، به علت ضخامت کم، نور را از خود عبور میدهد و شفافیت
بالایی دارد.سبک و انعطاف پذیر بودن،رسانایی بالا ، استحکام بالادر برابر فشار - 200 تا 300 برابر فولاد - ، سختی بالا - محکم تر ازالماس - و قابلیت حرکت بسیار بالای حامل های بار از جمله مزایا و قابلیت هایی است که گرافن را به ماده مناسب برای ساخت صفحه های نوری، قطعات الکترونیکی و نانوساختار های مختلف تبدیل کرده است.[1] گرافن همانند گرافیت، نانولوله های کربنی و فلورن ها یکی از ترکیبات بر پایه کربن است که در آن اتم های کربن در یک شبکه شش وجهی با تشکیل پیوندهای کوالانسی یکدیگر متصل شده اند.
این پیوندها - پیوند سیگما - یبریداسیون یکدیگر متصل شده اند.این پیوندها - پیوند سیگما - یبریداسیون SP2 را بوجود می آورند.4]؛[2در گرافن اوربیتال P اتم های کربن که عمود بر صفحه گرافن می باشند، با تشکیل پیوندبا اتم های کربن صفحات مجاور، باعث اتصال صفحات مختلف گرافن به یکدیگر می شود.پس از شناسایی گرافن خالص و تحلیل وبررسی آن ، جذب اتم های مختلف بر روی گرافن مورد بررسی قرار گرفت و مطالعات در حوزه نظری و تئوری به تحوه وچگونگی جذب اتم ها اعم از انرژی جذب، انرژی گداز، طول پیوند جذب، موقعیت جذب و نوع پیوند فیزیکی و شیمیایی ،تغییرات ساختار نواری و ... صورت گرفت.[5]
مطالعات بسیاری بر روی اضافه کردن ناخالصی های مختلف بر صفحه گرافن صورت گرفته است که این ناخالصی ها به صورت جذب شیمیایی و فیزیکی به گرافن خالص اضافه شده اند.انرژی جذب مقدار انرژی لازم برای کندن اتم از صفحه گرافن است.منقی ترین انرژی جذب بیانگر بهینه ترین موقعیت جذب برصفحه است.در این پژوهش اتم بورون - B - به جای یکی از اتمهای زیر شبکه A در گرافن خالص قرار گرفته است. حال به دنبالبهینه ترین موقعیت جذب و انرژی جذببا استفاده از تقریب GGA1 و مدلسازی پتانسیل لنارد جونز هستیم.در ابتدا طول پیوند CuO را 1.90 آنگستروم قرار دادیم و در تمامموقعیت ها فاصله نزدیک ترین اتم مولکول مونواکسید کربن باگرافن آلاییده را 2.5 آنگستروم تعیین کردیم و سپس با استفادهازکد محاسباتی pw.x به بهینه کردن ساختار پرداختیم.
یک صفحه گرافن متشکل از 50 اتم کربن به عنوان سیستم مورد مطالعه انتخاب شد.دلیل انتخاب این تعداد اتم با علم به اینکه محسبات سنگین تر خواهند شد، ایجاد فاصله مناسب بین مولکول های اکسید مس است تا هیچ برهمکنیشی با هم نداشته باشند و نتایج به واقعیت نزدیکتر شود.به ازای هر 50 اتم یک مولکول مونو اکسید مس جذب شده است . - شکل - 1 فاصله دو صفحه بالا و پایین 15 آنگستروم در نظر گرفته شده تا برهمکنشی با هم نداشته باشند. اتم B با یک اتم کربن از زیر شبکه A جایگزین می شود. تعداد 6 موقعیت جذب مونواکسید مس در نظر گرفته شد که به ترتیب :جذب از طرف اتم مس به اتم بورون - - a، جذب ازطرف اتم مس به اتم کربن همسایه بورون - - b،از طرف اتم مس بر عمودمنصف پیوند کربن –بورون - c - ، از طرف اتم مس بر مرکز شش وجهی شامل اتم بورون - d - - شکل . - 2
به دنبال انرژی جذب و طول پیوندی هستیم تا بهینه ترین حالت جذب را مشخص کنیم. این انرژی از رابطه زیر محاسبه می شود:در رابطه بالا ، زیرنویس BGS مربوط به صفحه گرافن آلاییده به بورون - B doped Graphen shell - و زیرنویس total مربوطبه جذب مونواکسید مس به گرافن آلاییده است.از طرفی فاصله پیوندی جذب را می توان از روش مدلسازی پتانسیل لنارد-جونز محاسبه و با نتایج بدست آمده از شبیه سازی مقایسه کرد.با توجه به رابطه - 2 - که بیانگر پتانسیل لنارد جونز2 است، باید پارامتر های آن برای هر اتم مشخص شود تا بتوان برهمکنش بین اتم ها را به طور مناسب بیان کرد.این پارامترها که عمق چاه پتانسیل - - و عرض از مبدا - - هستند در جدول - 1 - نشان داده شده اند.برای استفاده از این پارامتر های در جمله های برهمکنشی از روابط زیر برای ادغام پارامترها استفاده می نماییم.
جدول - 3 - نتایج حاصل از شبیه سازی باتقریب GGA و تئوری پتانسیل لنارد -جونز را نشان میدهد.همانطور که مشاهده می شود، نتایج شبیه سازی در توافق خوبی با نظریه پتانسیل می باشد.از آنجا که منفی ترین انرژی جذب مربوط به بهینه ترین موقعیت جذب است ، لذا احتمال جذب در موقعیت - c - یعنی جذب بر عمود منصف پیوند کربن - بورون - B-C - از سایر موقعیت ها بیشتراست.شکل - 3 - طول پیوند اکسیژن - مس - Cu-O - نیز کاهش یافته است و درحالت بهینه به مقدار 1.70 انگستروم رسیده که بیانگر کاهش 0.2 آنگسترومی می باشد. در جدول شماره - 4 - ، نتایج حاصل از جذب مونو اکسید مس بر گرافن خالص در موقعیت های مختلف با تقریب GGA که در گذشته صورت گرفته ،نشان داده شده است. [6]لذا می توان به تاثیر اضافه کردن ناخالصی بورون به گرافن در جذب مونواکسیدمس پی برد.
