بخشی از مقاله
چکیده: در این کار اثر تنش در جهت z بر تجمع بارهای جزئی منفی روی اتم های اکسیژن - جمعیت های مولیکن - بررسی شد. مهندسی ساختار GMO از طریق تغییر فاصله اکسیژن ها انجام گرفت، که نماینده تنش های عمود بر صفحه بود. هم چنین یون نیکل به عنوان نمونه ای از یون های آلاینده آب بر روی نانو صفحه GMO جذب داد ه شد. محاسبات انجام شده شامل LUMO,HOMO,PDOS,DOS و طول پیوندها است. که کل محاسبات انجام شده جذب شیمیایی این یون روی صفحه را تایید می کنند.
مقدمه
یکی از راه های بهینه کردن ساختار الکترونی یک ماده تنظیم باند گپ آن با اعمال تنش می باشد. این تنش ها می تواند با ایجاد تغییر در پارامترهای سلول واحد ماده به وجود آید. اخیرا pu و دیگران مهندسی باند گپ GMO را با اعمال تنش حاصل از تغییر زاویه α ی سلول واحد - که منجر به تغییر در فاصله اکسیژن ها dO−O در داخل نانو صفحه می شود - را به صورت محاسباتی به انجام رساندند.[1-20]
در این رابطه ، اخیرا، یک سری کار محاسباتی در زمینه GMO در آزمایشگاه شبیه سازی مولکولی - Molecular Simulation Lab - توسط تیم تحقیقاتی ما انجام گرفته است. این کارها شامل مطالعه خواص ترابرد کوانتمی، مهندسی باند گپ با غیر فعال سازی لبه ها و جذب برخی از مولکول ها روی صفحه GMO می باشد.[21] در ادامه مطالعات قبلی مان ، اثر تنش القایی را بر ساختار هندسی، خواص الکترونی نانو صفحه GMO بررسی کردیم. تنش های مورد نظر از طریق تغییر صفحه گرافنی GMO انجام شد. پس از مهندسی ساختار GMO به منظور تنظیم مقادیر بار جزئی منفی روی اتم های اکسیژن، یون نیکل بر روی این نانو ساختار دو بعدی جذب داده شد. تا مشخص شود آیا نانو صفحه GMO می تواند این یون و یون های مشابه آلاینده ی آب را جذب نماید، یا خیر؟
روش محاسباتی و نظری
تمام محاسبات به وسیله بسته نرافزاری OpenMX - Open source package for Material eXplorer - نسخه 3.7 انجام شد.[23] قبل از انجام بهینه سازی ساختار، بهینه سازی اربیتال با استفاده از 45 - 13s, 9p, 1d - و 37 - 12s, 7p, 1d سری پایه اولیه انجام شد تا بهتربن اربیتال ها برای کربن و اکسیژن به دست آید.تمام محاسبات شامل بهینه سازی ساختار و محاسبات تک نقطه ای مربوط به خواص الکترونی GMO به کمک 8 - 2s, 2p - و 14 - 2s, 4p - از اربیتال های شبه اتمی بهینه شده به ترتیب برای کربن و اکسیژن انجام شد.
پارامترهای بهینه شده مربوط به ساختار GMO بدون تنش از کار منتشر شده ماتسون و دیگران[22] گرفته شده است. ساختار GMO مد نظر سوپرسلی تشکیل شده از سلول واحد های اولیه متشکل از 8 اتم بود - 4 اتم کربن و 4 اتم اکسیژن - . شکل 1 قسمتی از توده GMO را که از سلول واحدهای مورد نظر تشکیل شده است، نشان می دهد. شکل - a .1 نمای جلو، - bنمای پرسپکتیو از ساختار GMO بهینه شده در آرایش تعادلی از سوپر سل 3×3 با dO−O = 2.11, a = 6.18˚A, b = 3.09˚A, c = 16˚A, α = 124◦ . شکل بالا سلول واحد مورد نظر را - ناحیه چهار ضلعی زرد رنگ - ، سوپر سل - ناحیه داخل خطوط پررنگ - بردارهای سلول واحد، و زاویه ما بین آنها را نشان می دهد.
هدف از انجام این تحقیق بررسی تاثیر تنش بر خواص الکترونی GMO بوده است این تنش ها با تغییر فاصله اکسیژن ها در جهت عمود بر صفحه هم چنان که در شکل نشان داده شده، شبیه سازی شده اند. به این منظور ما یک سری ساختار GMO ساختیم که در آنها برای مقادیر α =421 از 4144 تا 1144 آنگستروم تغییر می کرد. کاهش مقادیر dO−O را می توان به عنوان تنش و فشار در جهت عمود بر صفحه در نظر گرفت.
ساختار کربن ها هر بار پس از تغییر فاصله کربن ها بهینه شد. واین در حالی بود که تمام اتم ها در راستای محور z محدود شده بودند. برای انتشار توابع موج مقدار انرژی - cutoff - برابر 200Ry در نظر گرفته شد. وناحیه بریلیون با استفاده از شبکه 36 × 36 × 2 شبکه بندی شد. برای عبارت انرژی تبادلی – همبستگی از تقریب PBE-GGA استفاده شد. به منظور حذف اثرات بر هم کنش بین لایه ها فاصله آنها 16 آنگستروم در نظر گرفته شده است.
بحث و نتیجه گیری
نتایج نشان می دهد که باند گپ هنگامی که فاصله اکسیژن ها 2.5 آنگستروم باشد، دارای یک مقدار بیشینه است. و اگر فاصله اکسیژن ها تا 3.5 آنگستروم افزایش یابد باند گپ GMO به طور کامل محو می شود چون در این حالت این ساختار به گرافنی تبدیل می شود که اتم های اکسیژن در فاصله دوری روی آن جذب شده اند. با تغییر فاصله اکسیژن ها می توان مقادیر بار منفی روی اکسیژن ها را تغییر داد.
این ساختار دو بعدی که از سه لایه اتم تشکیل شده و اتم های اکسیژن با بار الکتریکی جزئی منفی که لایه بیرونی را تشکیل می دهند، باعث می شوند که این ساختار دوبعدی در بالا و پایین دارای بار منفی بوده و ماده ای مناسب برای جذب گاز های سمی با ساختار دو قطبی مانند H2S و NH3 و یون های سبک مانندCd2+ یا Ni2+ و یون های خطرناک سنگین محلول در آب Cd2+,Hg2+,pb2+ باشد. در ادامه این کار جذب یون Ni2+ بر روی این ساختار مهندسی شده GMO که میزان بار منفی بر روی اکسیژن های آن قابل تنظیم است شبیه سازی شده است به صورتی که ابتدا یون نیکل در فاصله 0.4 نانو متری از صفحه دو بعد GMO و عمود بر آن قرار گرفت و کل سیستم شامل صفحه GMO به اضافه یون نیکل optimize یا بهینه شد.
پس از طی 200 مرحله MD که هر کدام شامل 40 مرحله میدان خود سازگار scf بود یون Ni2+ به طور کامل بر روی صفحه GMO جذب شد. این جذب از نوع شیمیایی بود زیرا فاصله یون نیکل از نزدیکترین اتم اکسیژن صفحه پس از جذب برابر 914.0nm بود که تقریبا با طول پیوند یونی - 409 nm - Ni2+O2- برابر است - شکل . - 2 شکل.2 نمای روبرو و کناری نانو صفحه دو بعدی GMO که یون نیکل بر روی آن جذب شده است. این جذب از طریق جاذبه های ایجاد شده بین پایین ترین اربیتال های مولکولی اشغال نشده lumo از یون نیکل که گونه الکترون دوست است ، با بالاترین اربیتال های مولکولی اشغال شده homo اتم های اکسیژن صفحه GMO که الکترون دهنده است، به وجود می اید.
محاسبات اربیتال مولکولی نشان می دهد که HOMO ها به شدت روی یون نیکل محلی شده اند در حالی که LUMO ها به طور عمده روی صفحه GMO محلی شده اند. بررسی دانسیته حالت ها DOS بین یون و صفحه نیز گواه دیگر بر جذب شیمیایی بین آنهااست - شکل . - 3 در این حالت انرژی حالت های قبل از جذب یون و صفحه برابر نیست اما پس از جذب این انرژیها برابر می شود.
شکل 3.ِDOS مربوط به یون - بالا - صفحه - وسط - سیستم یون-صفحه - پایین - . DOS سیستم های مورد نظر موید ایجاد پیک های کوچک جدید و تغییرات مقادیر انرژی این حالت ها به مقادیر کمتر یا بیشتر است. مقدار هم پوشانی PDOS بزرگ میان یون Ni2+ و اتم های اکسیژن مجاور نشان دهنده تشکیل پیوند شیمیایی بین این دو گونه پس از جذب است - شکل . - 4 شکل .4 شکل بالا نشان می دهد که یون نیکل پس از جذب روی نانو صفحه GMO بیشترین هم پوشانی را با اتم اکسیژن سمت چپ دارد، زیرا در نقطه انرژی صفر نمودار دو پیک کاملا هم انرژی دارند.
