بخشی از مقاله
چکیده
در این تحقیق، خواص الکترونی ابرشبکههایی از نانولوله کربنی تک دیواره زیگزاگ و آرمچیر و n - 12,0 - / m - 11,0 - بررسی میشوند. در ناحیه فصل مشترک نقصهای توپولوژیکی جفت پنج- هفت ضلعی در شبکه ششگوشی کربن ظاهر میشوند. با در نظرگرفتن هامیلتونی ساختار مورد نظر در تقریب بستگی قوی با نزدیکترین همسایه و محاسبه ویژه مقادیر انرژی آن خواص الکترونی را در حضور جفتهای پنج- هفت ضلعی بررسی میکنیم. محاسبات نشان می-دهد که این نقصهای جفت پنج- هفت ضلعی میتوانند به عنوان مراکز پراکننده اضافی در فصل مشترک بدون تغییر قطر نانولوله رفتار الکترونی را در اطراف سطح فرمی تغییر دهند. نتایج محاسبات ممکن است در طراحی ادوات نانوالکترونیکی مبتنی بر نانولولههای کربنی مفید باشد.
مقدمه
بعد از کشف نانولولههای کربنی در سال [1] 1991، مطالعات زیادی به واسطه کاربرد فراوانشان در ساخت وسایل نانوالکترونیکی بر روی آنها صورت گرفته است. نانولولههایکربنی بر اساس هندسهشان میتوانند فلز یا نیمرسانا باشند [2] که استفاده از آنها در ساخت ادوات نانوالکترونیکی مثل دیودها، ترانزیستورها و غیره متنوع کرده است .[3-5] در برخی از این کاربردها از نقصهای توپولوژیکی نانولوله بهره میگیرند .[6] این نقصهای توپولوژیکی باعث تغییر کایرالیتی در شبکه شش گوشی کربن میشوند و در نتیجه خواص الکترونیکی نانولوله هم تغییر
میکند. از این نوع میتوان به اتصال فلز- فلز، فلز- نیمرسانا ونیمرسانا- نیمرسانا در ابرشبکهها اشاره کرد .[7-10]
در اینجا، ما خواص الکترونی ابرشبکههای نانولوله کربنی [11-13]تک دیوارهn - 12,0 - / m - 6,6 - و n - 12,0 - / m - 11,0 - برای حالتm n رابر پایه روش تقریب بستگی قوی برای n 1 و
4 m1 بررسی میکنیم که در آن از اتصال نانولولههای کربنی زیگزاگ-زیگزاگ و زیگزاگ-آرمچیر برای یاختههای مختلفاستفاده کردهایم. بر این اساس شاهد تغییرات ساختار نواری وچگالی حالتهای الکترونی نانولوله کربنی در ابرشبکه با تغییرات کایرالیتی و افزایش طول ابرشبکهها هستیم.در این مقاله، بعد از مرور کوتاه در مقدمه، در قسم بعدی مدلمورد نظر را معرفی و در قسمت سوم نتایج محاسبات مطرح می-شود. در آخر نتیجهگیری ارائه میشود.
مدل و روش محاسبات
فرض کنید که ابرشبکههای نانولوله کربنی تک دیوارهn - 12,0 - / m - 6,6 - و n - 12,0 - / m - 11,0 - مورد نظر به صورتشکل 1 باشد. همان طوری که اشاره شد برای اتصال در فصل مشترک نقصهای توپولوژیکی جفتهای پنج و هفت ضلعی تشکیل میشود. برای بررسی خصوصیات الکترونی آنها، هامیلتونی ساختار را با در نظر گرفتن تعداد اتمهای مورد نظر در یاخته آن - مطابق شکل - در تقریب بستگیقوی [14] - نزدیکترین همسایه - نوشته و ویژهمقادیر انرژی محاسبه میشود. از روی ویژه-مقادیر، چگالی حالت و سایر مشخصات نواری ساختار مورد نظربه دست میآید:همان طوری که از معادله - 1 - دیده میشود هامیلتونی سیستم شاملسه جمله است.
جمله اول - Hn - شامل اثر هر اتم بر نزدیکترینهمسایگان خود میباشد، جمله دوم - Hn,n 1 - و جمله سوم - Hn,n 1 - در واقع شامل پتانسیلهای بر همکنشی هر ابرشبکه بردیگری میباشد، که به ترتیب شامل عبارتهای eikd و e ikd می-باشند. در این جملات، d طول ابرشبکه و k بردار موج است که در منطقه اول بریلوئن و به صورت k تعریف میشود. در این روش جایگاه هر اتم مشخص است بنابراین نزدیکترین همسایگان هر اتم نیز مشخص هستند. پارامتر پرش بین نزدیک-ترین همسایگان را -2/7 الکترون ولت و انرژی جایگاه برای هراتم صفر در نظر گرفته شده است. همان طوری که در شکل 1 می-بینید با اتصال نانولوله های زیگزاگ-آرمچیر [15]، زنجیره ای از پنج و هفت ضلعیها در محل اتصال ایجاد میشوند [16]
و بااتصال نانولولههای زیگزاگ- زیگزاگ، علاوه بر ایجاد یک جفتپنج- هفت ضلعی در محل اتصال، شاهد ظهور یک زنجیره اضافی نیز در ناحیه اتصال هستیم که در شکل این زنجیره با رنگ صورتی - کم رنگ - مشخص شده است. این اثر ناشی از تفاوت کایرالیتی در دو نوع نانولوله است که از آن به عنوان نقص توپولوژیکی پنج-هفت ضلعی در سیستم یاد میشود. هر ابرشبکه از یاخته 1 - 12,0 - /1 - 6,6 - شامل 72 اتم است که در شش لایه اتمی قرار گرفتهاند همچنین هر ابرشبکه از یاخته 1 - 12,0 - /1 - 11,0 - شامل 138 اتم است که در دوازده لایه اتمی قرار گرفتهاند - به شکل 1 توجه کنید - .
بحث و توصیف
در این قسمت به بررسی نوارهای انرژی و چگالی حالاتابرشبکهها میپردازیم. با ثابت قرار دادن n به صورت 1 و باافزایش m به صورت m 1 4 به ترتیب ابرشبکههای1 - 12,0 - / 2 - 6,6 - ، 1 - 12,0 - / 3 - 6,6 - و 1 - 12,0 - / 4 - 6,6 - و همچنینابرشبکههای 1 - 12,0 - / 2 - 11,0 - ، 1 - 12,0 - / 3 - 11,0 - و1 - 12,0 - / 4 - 11,0 - ایجادخواهندشد.درابرشبکههایn - 12,0 - / m - 6,6 - ، برای 2 m هر یاخته از این ابرشبکه شامل 96اتم است که در هشت لایه اتمی قرار گرفتهاند و برای 3mابرشبکه شامل یاختههایی با 120 اتم است که در ده لایه اتمی قرارگرفتهاند. برای m 4 ابرشبکه حاوی یاختههایی با 144 اتم استکه در دوازده لایه اتمی قرار گرفتهاند. همچنین در ابرشبکههای n - 12,0 - / m - 11,0 - ، برای m 2 هر یاخته از ابرشبکه شامل 182 اتم بوده که در شانزده لایه اتمی قرار گرفتهاند و برای m 3 و m 4 ابرشبکهها به ترتیب شامل یاختههایی با 226 و 270 اتم بوده که در 20 و 24 لایه اتمی قرار گرفتهاند.
با توجه به شکل 3 میبینیم که در هر چهار سیستم نوارهای انرژی سطح فرمی را قطع کردهاند بنابراین همگی سیستمهایی فلزی هستند. با توجه به اینکه نانولولههای - 12,0 - و - 6,6 - هر دو فلزی هستند و سطح فرمی آنها در انرژی صفر الکترون ولت قرار دارد، اما دیده میشود که پس از اتصال آنها به صورت ابرشبکهای، سطح فرمی به بالا و یا پایینتر از انرژی صفر جابجایی پیدا میکند. این ناشی از اثر نقص توپولوژیکی پنج- هفت ضلعی است که با شکستن تقارن الکترون-حفره باعث جابجایی سطح فرمی میشود. همچنین با توجه به انطباق چگالی حالتها بر نوارهای انرژی در شکلها شاهد چگونگی افزایش و کاهش حالتها در ساختار نواری هستیم.
در بررسی ابرشبکههای n - 12,0 - / m - 11,0 - با توجه به نیمرسانابودن نانولوله کربنی - 11,0 - میبینیم که پس از اتصال همه سیستم-ها دارای رسانندگی هستند و در هر چهار سیستم نوارهای انرژی سطح فرمی را قطع میکنند - به شکل4 توجه کنید - که این هم ازاثرات نقص پنج-هفت ضلعی است که با تغییر کایرالیتی نانولولهباعث تغییر خواص الکترونی سیستمها میشود. همچنین درتعدادی از موارد سطح فرمی در محدوده نوارهای ظرفیت قرار داردکه میتوان گفت در این موارد حفرهها نقش رسانندگی را درسیستمها ایفا میکنند.
