تاثير الفلور على الخواص التركيبية الالكترونية والكهربائية لشريط الكرافين باستخدام النموذج الهاملتوني الرياضي == The Effect of Fluorine on the Structural, Electronic and Electrical Properties of Graphene Sheet by Using the Mathematical Hamiltonian Model
Author name:
حكيمة سلمان جبر مرشد
Supervisor name:
حامد ابراهيم عبود محمد التميمي
General topic:
Physics
Specific topic:
Electronics Physics
Degree:
Doctorate
University:
University of Babylon - College Of Science - Physics Department
Language:
English
University location:
Babylon
First pages:
26T1641 - p.pdf
Abstract:
هذه الاطروحة دراسة نظرية للخواص التركيبية, الالكترونية والكهربائية لشريحة الكرافين النقي باستعمال النموذج الهاملتوني الرياضي, وتحديد تاثير عدد مختلف من ذرات الفلور المضافة بدلا من ذرات الكاربون في الشريحة على تلك الخواص. ابتداءا تم الحصول على استرخاء للتراكيب المدروسة بتطبيق الدالة الهجينة ذات المعاملات الثلاث لي - يانغ - بار من نظرية دالة الكثافة في حزمة برامج كاوس 09 تم الحصول على استرخاء التراكيب بتطبيق تقريب الكثافة الموضعية في برنامج .SIESTA trunk - 462 ان جميع حسابات الخواص الكهربائية تم اجراؤها باستعمال برنامج .Gollum وتم الحصول على استرخاء جيد للتراكيب المدروسة, حيث ان قيم الزوايا C - C, C - C=C ,C=C في شريحة الكرافين النقية تتفق مع تلك في تراكيب الحلقات الكاربونية. ان اضافة ذرات الفلور بدلا من ذرات الكاربون لتشكيل الشرائح المطعمة ليس له تاثير واضح على تلك الزوايا مع ملاحظة التفاف طفيف في حلقات الفينيل عند مناطق الارتباط مع الحلقات المطعمة والتي سببهزاوايا انحناء بين الذرات المختلفة نتيجة لاختلاف الكتل الذرية والكهروسالبية لذرات الفلور والكاربون. تبين النتائج ان الطاقة الكلية لشرائح الكرافين المدروسة تتناقص مع زيادة العدد الكلي للالكترونات في الشريحة, ان الطاقة الكلية هي انعكاس لطاقة الترابط لكل شريحة. ان فجوة الطاقة المحسوبة نظريا لشريحة الكرافين النقية هي فجوة طاقة صفرية, وان جميع الشرائح المطعمة تمتلك فجوة طاقة صغيرة مع عدم وجود اي قاعدة لخفض او ارتفاع فجوة الطاقة مع زيادة عدد ذرات الفلور في الشريحة. ان حسابات المدار الجزيئي العلوي المشغول والمدار الجزيئي السفلي غير المشغول تبين ان طاقات المدار الجزيئي السفلي غير المشغول هي اعلى من طاقات المدار الجزيئي العلوي المشغول وهذا يعطي هذه التراكيب المدروسة ان تمتلك قابلية عالية لنقل الالكترون. كما ان طاقة المدار الجزيئي العلوي المشغول تزداد خطيا مع زيادة عدد ذرات الفلور في الشريحة. وبينت النتائج ان شريحة الكرافين النقي تمتلك قيم كبيرة للتوصيلية الكهربائية والحرارية مقارنة مع الشرائح المطعمة وذلك لكون الكرافين النقي يمتلك قنوات مفتوحة متعددة لنقل الالكترون, هذه القنوات تتناقص خطيا مع زيادة عدد ذرات الفلور في الشريحة. لقد لاحظنا ان شريحة الكرافين النقي هي اكثر مرونة من الشرائح المطعمة نتيجة العدد المحدد من الحالات والناشئ من كثافة الحالات غير الصفرية لشريحة الكرافين النقية, وهذا ياتي نتيجة للاختلاف في الاتحاد الخطي للمدارات الذرية لتشكيل مدارات جزيئية في كل من الشريحة النقية والشرائح المطعمة. ان شريحة الكرافين النقي تمتلك معامل انتقال قيمته واحد نتيجة لعدم وجود منطقة استطارة في شريحة الكرافين النقي, ان جميع موجة الالكترون الساقطة سوف تنتقل من القطب الايسر الى القطب الايمن, وان اضافة ذرات الفلور سيقود الى ظهور مساحات كمناطق استطارة تخفض معامل انتقال الالكترون. في الدراسة الحالية, تم تحليل قياسات تيار - فولتية للشرائح النقية والمطعمة, لقد لاحظنا ان شريحة الكرافين النقية تبين مميزات تيار - فولتية مشابهة بشكل كبير الى نوع الممانعة, وان هذا السلوك لمثل هذا التركيب النانوي يخفض تماما تاثيرات الحرارة العالية التي تظهر في الاجهزة الماكروية. ان الشرائح المطعمة تمتلك تقريبا منحني تيار - فولتية مشابهة بالسلوك الى الشريحة النقية مع استجابة واطئة للتيار المقابل لفولتية الانحياز الامامي والعكسي. | This dissertation is a theoretical study of structural, electronic and electrical properties of pure graphene sheets using a mathematical Hamiltonian model, and determine the effect of various number of fluorine atoms added in place of carbon atoms in the sheet on these properties. The studied structures are initially relaxed by employing the hybrid functional three parameter Lee - Yang - Parr B3LYP density functional theory at Gaussian 09 package of programs, and then the structures are relaxed by employing the local density approximation LDA/Single Zeta SZ at the SIESTA - trunk - 462 program. All calculations of electrical properties are carried out using Gollum program. The results showed good relaxation obtained for the studied structures, the values angles C - C, C=C and C - C=C in pure graphene sheet are agree with those for carbon rings structures. Adding the fluorine atoms in place of carbon atoms to form the doped sheets has not significant effect on these bonds with few screw observed in phenyl rings at the contact areas with the doped rings comes from the twist angles between different atoms due to the difference of atomic mass and electronegativity of fluorine and carbon atoms. The results showed the total energy of the studied graphene sheets was decreased with increasing the total number of electrons in the sheet, total energy is a reflection of, binding energy of each sheet. The LUMO - HOMO energy gap calculated theoretically for pure graphene sheet is zero energy gap, and the other doped sheets all have small energy gap with no role of reducing or raising the energy gap with increasing the number of fluorine atoms in the sheet. The calculations of HOMO and LUMO showed LUMO energies are greater than the HOMO energies and this gave these studied structures to have high ability to electron transfer. Also, the HOMO energy is linearly increasing with increase of the number of fluorine atoms in the sheet. The results showed the pure graphene sheet has the greater values of electrical and thermal conductivity than those for doped sheets due to that the pure graphene sheet has multi open channels for electron transfer, these channels are linearly reducing with increasing the number of fluorine atoms in the sheet . Observed the pure graphene sheet is more solvability than the doped sheets due to a finite number of states from the non - zero density of states for pure graphene sheet, this comes according to the difference in the linear combination of atomic orbitals to form the molecular orbital in both pure and doped sheets . Pure graphene sheet has transmission coefficient is unity due to absent of the scattering regions in pure graphene sheet. All incident electron wave function was transmitted from left electrode to right electrode, adding fluorine atoms leads to appearing areas as scattering regions reduces the electron transmission coefficient. In present study, the I - V measurements were analyzed for pure and doped sheets, observed the pure graphene sheet show I - V characteristics very much similar to resisting type, this behavior of such nano - structure material completely reduces the high temperature effect that appeared in the old macro devices. Doped sheets have approximately I - V curve similar to behavior pure sheet with low sensing of current corresponds to bias and reverse voltages
