بخشی از مقاله
مطالعة ساختار و ويژگي هاي الکتروني نانوغنچه هاي نانو لولة کربني
چکيده
نانولوله هاي کربني عامل دار شده با فولرين (نانوغنچه هاي کربني ) طبق ٔە تازه اي از مواد هيبريد کربني را شکل مي دهند که در مقايسه با اجزاء اوليه ، از ويژگي هاي قابل توجهي برخوردار هستند. اين نانو ساختار هيبريد کربني (کربن نانوغنچه ) شامل يک فولرين است که از نظر کووالانسي با يک کربن نانولوله تک جداره پيوند خورده است . نانوغنچه هاي کربني راه جديدي را براي به کارگيري نانولوله ها مي گشايند. خصوصاً به علت واکنش پذيري بالاي فلورين ها که احتمال تنظيم بهتر اين ماده از طريق تغييرات شيميايي را مطرح مي کند. در اين تحقيق جذب فولرين C٦٠ بر روي نانولوله هاي کربني تک جداره با کايراليتي (۶،۶) و همچنين ميزان انتقال بار موليکن در اين ساختار ارزيابي ميشود. پس از بهينه سازي ساختار نانولوله ي عامل دار شده با فولرين با استفاده از محاسبات کوانتمي DFT ميزان جذب نانوغنچه هاي کربني مورد بررسي قرار گرفت . نتايج بدست آمده نشان مي - دهد فولرين از طريق پيوند کربن -کربن بين حلقه شش ضلعي - شش ضلعي بر روي پيوند کربن -کربن زيگزاگ نانولوله قرار مي گيرد. انرژي جذب ۱.۰۵- الکترون ولت بيانگر جذب شيميايي قوي در پايدارترين پيکربندي فولرين C٦٠ – نانولوله (۶،۶) ميباشد. نتايج حاصل از آناليز بار موليکن نيز نشان دهنده انتقال الکترون از فولرين به نانولوله ميباشد. براي وضوح بيشتر ساختار الکتروني ، به بررسي دانسيته موضعي (DOS) و نمودار چگالي حالت ها پرداخته شد، که در اين پيکربندي وجود پيک در سطح فرمي اين نمودار و عدم وجود گپ انرژي بيانگر رسانايي سيستم است . و ميزان انتقال بار آن ۰.۰۳+ الکترون ميباشد، که نشان دهنده يک برهمکنش پيوندي قوي بين فولرين و نانولوله (٦،٦) مي باشد.
واژه هاي کليدي : فولرين C٦٠، نانوغنچه ، موليکن ، DFT، ساختار الکتروني ، دانسيته موضعي DOS
مقدمه
در اين طرح فرايند شبيه سازي و انجام محاسبات مورد نياز با استفاده از روش بسيار قدرتمند کوانتمي تابع چگالي (DFT) انجام مي شود. از آنجائيکه سيستم الکتروني مورد مطالعه شامل فولرين C٦٠ و مولکول نانولوله کربني با کايراليتي (٦،٦) بوده و از طرفي ديگر اين دو بخش با يکديگر برهمکنش نيز دارند پس استفاده از محاسبات کوانتمي براي بررسي اوربيتال هاي مولکولي مولکول مورد نظر ضروري بوده و همچنين شبيه سازي کوانتمي براي محاسبات مربوط به بهينه کردن انرژي الکترودهاي فلزي بايد به خدمت گرفته شود. از بين روشهاي کوانتمي روش تابع چگالي بخاطر سرعت ، دقت و کارايي بسيار بالاي آن در اين طرح بکار گرفته شده است . فرايند مدلسازي و انجام محاسبات کوانتمي لازم با استفاده از نرم افزارهاي DFTB[٢] و Siesta [٣,٤] سيستم هاي مولکولي و تناوبي مورد نظر با تقريب هاي LDA و GGA انجام مي شود. اکثر کساني که تا به حال در اين زمينه کار کرده اند فقط با يکي از اين دو تقريب کار کرده اند ولي در اين پروژه هر دو تقريب به کار گرفته شده است . و از تابع تبادل -همبستگي PBE استفاده نموده واربيتال ها نيز به صورت DZP ١ براي تمام اتم ها در نظر گرفته شده است . سيستا نرم افزاريست که در راستاي محاسبات ساختار الکترونيکي و شبيه سازي هاي ديناميک مولکول ها و جامدات مورد استفاده قرار مي گيرد. اين برنامه بر مبناي تئوري تابعيت چگالي خود سازگار با استفاده از شبه پتانسيل هاي استاندارد norm conserving مي باشد. ترکيب خطي اوربيتالهاي اتمي منجر به ايجاد مجموعه پايه ي عددي و ثابتي مي گردد که در راستاي بهبود نتايج ، مي توان شرط قطبيده بودن اوربيتال ها و چند زتا را نيز لحاظ کرد. همه برنامه هاي محاسباتي شيمي براساس معادله موجي شرودينگر مي باشندکه دليل آن توصيف رياضي وار معادله شرودينگر از شکل اوربيتال اتم و ساختار مولکولي است . مهم ترين و مشکل ترين محاسبات در کوانتوم ، حل معادلة شرودينگر، مخصوصاً براي سيستم هايي است که داراي اتم هاي زياد و عنصرهاي سنگين مي باشند. اگرچه براي حل اين معادله براي سيستم هاي پر تعداد روش هاي متعددي با ويژگي هاي متفاوت ، مسئله چند الکتروني را به مسئلة معادله تک- الکتروني کاهش مي دهند، مانند هارتري فاک ٢ و تابع چگالي ٣، ولي حل همين معادلة تک الکتروني مسئلة بسيار مشکل و مهمي مي باشد. اساس تئوري تابعيت چگالي که بوسیله هوهنبرگ و کوهن [١] پايه گذاري شده است ، تعيين انرژي تراز پايه الکتروني بوسیله چگالي الکتروني است ، در نتيجه آلودگي اسپين در اين روش کمترين مقدار را دارد که در اصل اين نتيجه اي است که از همبستگي الکتروني در دترمينان تابع موج لحاظ شده است . بر همکنشهاي ناشي از نيروهاي بين مولکولي (مثلاً
واندولس ) که معمولاً در مقايسه با پيوندهاي شيميايي ضعيف هستند با روش تابعيت چگالي بخوبي قابل بررسي اند. تفاوت ساختاري بين فولرين C٦٠ (مولکولي بودن ) و نانولوله هاي کربني تک ديواره ي (۶،۶) (تناوبي بودن ) ايجاب مي کرد که از دو روش متفاوت به اين منظور استفاده شود. بهينه کردن ساختارهاي تناوبي با بيش از ۱۲۰ اتم نيازمند سيستم هاي کامپيوتري قدرتمند و صرف زمان زيادي است که خارج از محدوده ي اين پروژه بود. به علت تناوبي بودن نانولوله ي کربني ، ابتدا از روش تک نقطه به منظور حصول فاصله ي تعادلي پيکربندي استفاده شد، در ادامه ساختار بدست آمده در فاصله تعادلي بهينه شد. پس از آن به منظور تعيين ماهيت برهمکنش بين دو جزء به بررسي عواملي مانند ميزان بار انتقال يافته (موليکن )، نمودار چگالي حالت ها٤ و چگالي بار کلي ٥ پرداخته شد.
بحث و نتايج
پس از آماده سازي مدل و تهيه فايل هاي ورودي مربوط به نانوساختار نانولولة (٦،٦) عامل دار شده با فولرين C٦٠ ميزان انرژي جذب براي اين سيستم محاسبه شد. در ادامه به منطور بررسي ماهيت برهمکنش ،چگالي حالت ها و تصوير آنهاو ميزان بار انتقال يافته نيز مورد محاسبه قرار گرفت . در بررسي آرايش فضايي و پارامترهاي هندسي فولرين روي نانولوله با کايراليتي (٦،٦) نتايج بدست آمده نشان مي دهد فولرين از طريق پيوند کربن -کربن بين حلقه شش ضلعي - شش ضلعي بر روي پيوند کربن -کربن زيگزاگ نانولوله قرار مي گيرد(شکل ۱). انرژي جذب ۱.۰۵- الکترون ولت بيانگر جذب شيميايي قوي در پايدارترين پيکربندي فولرين C٦٠ – نانولوله (۶،۶) ميباشد.
