بخشی از مقاله
چکیده
در این مقاله با استفاده از روش شبیه سازی دینامیک مولکولی، ساختار هندسی، پایداری دمایی، زمان واجذبی فلوئور از گرافن و تغییرات ساختاری در اثر افزایش دما در ساختار تک لایه فلوئوروگرافن - FG - و تک اتم فلوئور افزوده شده بر سطح گرافن - F-graphene - بررسی شد. افزایش دما تا 2800 کلوین برای فلوئوروگرافن منجر به تشکیل رشتههای پلیمری متشکل از فلوئورهای متصل به کربن و در نهایت با گذشت زمان 1نانوثانیه کل پیوندهای ساختار شکسته شد و همچنین واجذبی فلوئور در ساختار F-graphene در دمای 2500 کلوین مشاهده شد. نتایج بدست آمده با دادههای گزارش شده در پژوهشهای پیشین با روشهای تئوری نظریه تابعی چگالی و دینامیک مولکولی از تطابق خوبی برخوردار است.
مقدمه
گرافن به دلیل خواص منحصر به فردی که دارد، برای کاربرد در الکترونیک بسیار مناسب میباشد، اما گرافن مادهای نیمه فلز با گاف انرژی صفر است1]و.[2 بنابراین برای استفاده در صنایع الکترونیک، باید به دنبال راهی برای باز کردن شکاف انرژی در ساختار گرافن بود. یکی از راههای ایجاد گاف انرژی، جذب اتمهای مناسب بر روی صفحه گرافن است.[3] اتمهای کربن در گرافن به صورت sp2 هیبریداسیون شدهاند و هر کربن دارای اوربیتال pz در جهت عمود بر صفحه گرافن است که میتوان آن را در پیوند شرکت داد، که به این ترتیب باعث تغییر هیبریداسیون گرافن از sp2 به sp3 میشود.
همچنین بر طبق pauling scale الکترونگاتیوی اتم فلوئور 3/98 است که به مراتب الکترونگاتیوی بالاتر از C - 2/55 - و H - 2/20 - و O - 3/44 - دارد. بنابراین گرافن آلائیده به فلوئور یکی از ترکیباتی است که امید میرود موجب کاربردی شدن گرافن در صنایع الکترونیک باشد. با جذب فلوئور بر سطح گرافن، فلوئور با کربن پیوند کووالانسی تشکیل میدهد و باعث تغییر هیبریداسیون گرافن از sp2 به sp3 میشود.[4] در نتیجه باعث باز شدن گاف انرژی خواهد شد. در این پروژه، ساختار هندسی فلوئوروگرافن - - FG و تک اتم فلوئور افزوده شده بر سطح گرافن - F-graphene - و همچنین پایداری ترمودینامیکی آنها بررسی میشود.
جزییات شبیه سازی
برای مطالعه ساختارها ابتدا کمینه سازی انرژی با روش conjugate gradient انجام شده است. سپس دمای سیستم با استفاده از ترموستات Nose-Hoover بالا برده شده و فشار سیستم با آنسامبل - NPT - P = 0 کنترل شد. damping constant برای دما و فشار به ترتیب 0/25 فمتوثانیه و 250 فمتوثانیه و همچنین گام زمانی 0/25 فمتوثانیه در نظر گرفته شده است. پس از به تعادل رسیدن انرژی کل، سیستم مورد مطالعه قرار گرفت.
بررسی هندسی ساختار
برای مقایسهی ساختار هندسی از دو نوع چینش مختلف اتم فلوئور، با نامهای فلوئوروگرافن - FG - و - F-graphene تک اتم فلوئور افزوده شده بر سطح گرافن - استفاده شده است. شکل 1 این ساختارها را قبل و بعد از کمینه سازی انرژی نشان میدهد. همانطور که در شکل مشاهده میشود به دلیل اضافه کردن اتمهای فلوئور، بعد از کمینه سازی انرژی، اتمهای کربن در گرافن
دیگر در یک صفحه قرار ندارند. در ساختار فلوئوروگرافن اتمهای کربن به اندازه 0/226 آنگستروم در راستای عمود بر سطح جابجا شدهاند. طول پیوند C-F، 1/38 آنگستروم و طول پیوند C-C، 1/59 آنگستروم و زاویه F-C-C، 106/45 و زاویه C-C-C - زاویه بین کربن متصل به فلوئور و دو کربن مجاور - ، 112/83 محاسبه شده است.
در ساختار F-graphene، اتم کربن متصل به فلوئور 0/221 آنگستروم به سمت بالا کشیده شده است. طول پیوند C-F، 1/55 آنگستروم و زاویه F-C-C، 103/22و زاویه C-C-C - زاویه بین کربن متصل به فلوئور و دو کربن مجاور - ، 114/93 مشاهده شده است. بیشینه طول پیوند C-C - مربوط به پیوند کربن متصل به اتم فلوئور با کربن مجاور - مقدار 1/53 آنگستروم بوده است که با دور شدن از اتم فلوئور، کاهش یافته و در نهایت به کمترین مقدار یعنی 1/45 آنگستروم میرسد.
مقایسه دو ساختار فوق با دادههای گزارش شده در پژوهشهای پیشین، در جدول 1 آمده است. با توجه به شکل 2 حداکثر جابجایی در راستای عمودی گرافن 0/221 آنگستروم است، که این جابجایی متعلق به کربنی است که با فلوئور پیوند دارد. شکل - a - : 1 ساختار فلوئوروگرافن قبل از کمینه سازی انرژی: اتمهای کربن در یک صفحه و اتمهای فلوئور یکیدرمیان بالا و پایین به فاصله 1/37 آنگستروم از اتمهای کربن قرار دارند. - b - ساختار فلوئوروگرافن بعد از کمینه سازی انرژی: به دلیل اضافه شدن اتمهای فلوئور، اتمهای کربن در امتداد عمود جابجا میشوند. - c - ساختار F-graphene قبل از کمینه سازی - d - ساختار F-graphene بعد از کمینه سازی: اتم کربن متصل به فلوئور در راستای عمود بالا میرود.
دینامیک F-graphene
شبیهسازی دینامیک مولکولی نشان داده است که پیوند کوالانسی کربن-فلوئور 1/55 آنگستروم است که با نتایج مقالات قبلی در تطابق است.[8] پس از به تعادل رسیدن، دمای ساختار بالا برده شده است. شکل3، F-graphene را در دمای 2500 کلوین نشان داده است. در دمای 4000 کلوین، فلوئور 0/075 پیکوثانیه پس از ابتدای شبیه سازی از گرافن جدا شده و سپس ساختار گرافن همانند دمای
3500 کلوین دچار نقص میشود.
دینامیک فلوئوروگرافن
ساختار فلوئوروگرافن در دمای 2000 و 2500 کلوین در مدت زمان 2 نانوثانیه تغییر قابل ملاحظهای نداشته است. اما در دمای 3000 کلوین بر خلاف F-graphene، که واجذبی فلوئور رخ داده بود، نقص در کل ساختار رخ داده است. شکل 6، فلوئوروگرافن را در دمای 2800 و 3000 و 3500 و 4000 کلوین در زمانهای مختلف نشان داده است.
