Share
الخواص الالكترونية لمادة هجينة مركب ثلاثي - خماسي/كرافين : حسابات نظرية دالية الكثافة == Electronic Properties of III - V Compound / Graphene Hetero Material : Density Functional Theory Calculations
Author name:
حوراء علي عبد الرضا
Supervisor name:
حامد ابراهيم عبود محمد التميمي | صباح نوري مزهر
General topic:
Physics
Specific topic:
Electronics Physics
Degree:
Master
University:
University of Baghdad - College Of Science For Girls - Physics Department
Language:
English
University location:
Baghdad
First pages:
26T1816 - p.pdf
Abstract:
هذه الاطروحة هي دراسة نظرية للخصائص التركيبة والالكترونية لمجموعتين من اوراق الجرافين. وتضمنت المجموعة الاولى ثلاثة اوراق جرافين نقية ذات اطوال مختلفة GR1 ˃ GR2 ˃ GR3، وتمثل المجموعة الثانية ثلاثة اوراق متغايرة من جرافين - مركبات B/P والتي تم بنائها اعتمادا على GR1. تم تنفيذ العمليات الحسابية باستخدام تقريب الكثافة الموضعي / LDA / SZ لنظرية دالية الكثافة. وقد استخدم برنامج Gauss View 5.0.8 لتصميم تراكيب اوراق الجرافين النقية والمشوبة. في البداية، تمت عملية استرخاء هذه التراكيب عن طريق استخدام طريقة PM6 شبه التجريبية مع الدالة الهجينة B3LYP - DFT عند حزمة من برامج Gaussian 09 وبعدها تمت عمليه استرخاء التراكيب باستعمال برنامج SIESTA trunk - 462 من خلال تطبيق نظرية دالية الكثافة LDA / SZ. يلاحظ من نتائج الخصائص التركيبية لاوراق الكرافين المدروسة ان هناك استرخاء جيد لهذه التراكيب، تبقى قيم الاواصر في اوراق الكرافين النقية C - C، C⚍C وC - H في نفس المديات لتراكيب حلقات الكربون. كذلك، ان اضافة مركباتB / P في ورقة الجرافين النقية لبناء اوراق الجرافين المتغايرة لم يؤثر على الخصائص التركيبة للتركيب الاصلي . وان الالتواء الملاحظ في حلقات الفينيل في مناطق الاتصال مع الحلقات المطعمة ياتي من زوايا الالتواء بين ذرات مختلفة بسبب اختلاف الكتلة الذرية والكهروسالبية لذرات B، P وC. تم استخدام نظرية دالية الكثافة LDA / SZ في برنامجGollum لحسابات الخصائص الالكترونية لمجموعتي اوراق الجرافين. ان نتيجة الطاقة الكلية لاوراق الجرافين المدروسة هو انعكاس لطاقة الربط لكل تركيب وتشير الى ان هذه التراكيب تمتلك استرخاء جيد ، وتاثير اضافة ذراتB وذرات P في ورقة الجرافين النقية GR1 كان له دور فعال على الطاقة الكلية للجزيئة. نبين ان كل اوراق الجرافين لها موصلية عالية وفجوة طاقة ممنوعة صغيرة، لكنها تتذبذب تبعا لطول وشكل كل ورقة وعدد وموضع ذرات B وP في الورقة. واظهرت القيم المحسوبة لطاقة فيرمي EF بان قيم EF لاوراق الجرافين النقية تتزايد مع تناقص طول الورقة. وباضافة ذرات B وP باشكال وهيئات مختلفة في GR1 سوف يغير من موقع مستوى فيرمي، ان كافة الاوراق المطعمة لها EF اكبر تقريبا من GR1. وياتي ذلك من اضافة مركبات B / P في GR1 الذي اعطى للورقة خصائص الكترونية جديدة.ان طاقة التاين IE والالفة الالكترونية EA لاوراق الجرافين النقية تنخفض قليلا مع تناقص طول الورقة. وكافة اوراق الجرافين المطعمة لها قيم منخفضة من IE وEA بالمقارنة مع GR1 النقي. ايضا، تظهر نتائجنا ان جميع اوراق الجرافين النقية والمطعمة تمتلك صلادة كهروكيميائية H عالية ومرونة الكترونية S عالية . المرونة الالكترونية العالية ستفتح افاق مستقبليه كاشارة لفجوة حزمة للتركيب مما يجعله يكون مرنا نوعا ما ، ان الكهروسالبية X قد انخفضت مع تناقص طول اوراق الجرافين النقية ، وX لاوراق الجرافين المطعمة هو اقل منها لورقةGR1 ، وهذا يعني ان الالكترونات في هذه الاوراق المطعمة لديها ميل كبير للهروب.واظهرت النتائج ان التوصيليات الكهربائية والحرارية لاوراق الجرافين النقية تكون في الترتيب GR1 ˃ GR3 ˃ GR2 ، التوصيلة الكهربائية والتوصيلة الحرارية لاكبر ورقة تكون هي القيم العليا، وهذا يرجع الى ان GR1 لديه قنوات متعددة لنقل الالكترون، من ناحية اخرى، القيم العليا لفجوة الطاقة خفضت التوصيلة الكهربائية والتوصيلة الحرارية. في حين، ان التوصيلة الكهربائية، وبالتالي ,التوصيلة الحرارية لاوراق الجرافين المطعمة كانت في الترتيب GR6 ˃ GR5 ˃ GR4، وبزيادة عدد ذرات B وP في الورقة انخفضت التوصيليات الكهربائية والحرارية. في جميع الحالات ، ان GR1 النقي لديه قيم توصيلية كهربائية وحرارية اعلى من تلك التي للاوراق المطعمة .ان النتيجة القيمة للغاية تم الحصول عليها من خصائص I - V للتراكيب المدروسة حيث ان سلوك التحسس قلل تماما من تاثيرات درجة الحرارة العالية التي تظهر في الاجهزة الكبيرة القديمة. وتشير حسابات I - V ان التفاعل المناسب مع الاقطاب يكون تاثيره محدودا الى حد ما على سلوك التحسس لاوراق الجرافين النقية والمطعمة. ان نتائج التحسس نتجت من تقليل فجوة الطاقة بين HOMO للورقة ومستوى فيرمي لقطب الذهب في الحيز الامامي والعكسي . ومن نتائج معامل Seebeck، يظهر لنا مساهمة متماثلة لتراكيز الالكترونات والفجوات حول منطقة الطاقة، وقد تبين ان الورقة الاكبر GR1 تملك القيمة الاقصى لمعامل Seebeck . وقد لوحظ ان معاملات الانتقال لاوراق الجرافين النقية تحدث على طول مدى واسع من طاقة الالكترون لانها لا تحوي منطقة استطارة. ايضا، ان الورقة مع عدد قليل من ذرات B وP كالحلقة النقطية في منتصف الورقة GR6 لها قيمة عالية من معامل الانتقال ، وهذا بسبب العدد الكبير من القنوات المفتوحة. وبشكل عام، معامل الانتقال للاوراق المدروسة لديها مدى واسع على نطاق الطاقة | This thesis is a theoretical study of structural and electronic properties of two groups of graphene sheets. The first group included three pure graphene sheets of different lengths GR1 ˃ GR2 ˃ GR3, and the second group represents the three sheets of heterojunction graphene - B/P compounds which were constructed on the basis of GR1.The calculations are carried out using the Local Density Approximation/Single Zeta LDA/SZ density functional theory. Gauss View 5.0.8 program was used to design the structures of pure and doped graphene sheets.Initially, these structures are relaxed by employing the PM6 semi - empirical method with the hybrid functional B3LYP - DFT at Gaussian 09 program package , and then they are relaxed at SIESTA - trunk - 462 of program by employing the LDA/SZ density functional theory. The results of the structural properties of the studied graphene sheets showed that there is good relaxation of the structures, the values of C - C, C⚍C and C - H bonds in pure graphene sheets remain in the same ranges of the carbon rings structures. So, the addition of B/P compound in pure graphene sheet to construct the heterojunction graphene sheets has no effect on the structural properties of the original structure. The screw observed in phenyl rings at the contact regions with the doped rings comes from the twist angles between different atoms due to the difference of the atomic mass and electronegativity of B, P and C atoms. The LDA/SZ density functional theory at the Gollum program was used for the calculations of the electronic properties of the two groups of graphene sheets. The result of the total energy of the studied graphene sheets is a reflection of the binding energy of each structure and indicates that these structures have good relaxation, and the effect of adding B and P atoms in pure graphene sheet GR1on the total energy of the molecule is effective. We showed all graphene sheets have high conductivity and small forbidden energy gap, but it vibrates depending on the length and shape of each sheet and the number and position of B and P atoms in the sheet. The calculated values of Fermi energy EF showed that the EF values of pure graphene sheets increase with decreasing the length of the sheet. Adding the B and P atoms in various shapes and forms in GR1 changes the position of Fermi level, all the doped sheets have EF approximately greater than that for GR1. This comes from the addition of B/P compound in GR1which gave the sheet new electronic properties. The ionization energy IE and electron affinity EA of the pure graphene sheets slightly decrease with decreasing the length of the sheet. And all doped graphene sheets have low values of IE and EA in comparison with the pure GR1. Also, we showed that all the pure and doped graphene sheets have low electrochemical hardness H and high electronic softness S. High electronic softness will pave the way for future prospects as a sign for that band gap of the structure wich becomes rather soft, the electronegativity X was decreased with decreasing the length of the pure graphene sheets, and the X of the doped graphene sheets is less than that for GR1, that means the electrons in these doped sheets have a large escaping tendency. The results showed that the electrical and thermal conductivities of the pure graphene sheets are in the order of GR1 ˃ GR3 ˃ GR2, the electrical conductivity and the thermal conductivity of the largest sheet are the higher values, this is due to the fact that GR1 has multi channels of electron transfer,and on the other hand, the higher the value of the energy gap,it decreased the electrical conductivity and the thermal conductivity. While, the electrical conductivity and therefore, the thermal conductivity of the doped graphene sheets are in the order of GR6 ˃ GR5 ˃ GR4,and by increasing the number of B and P atoms in the sheet, the electrical and thermal conductivities decreased. In all cases, the pure GR1 has values of electrical conductivity and thermal conductivity higher than those for the doped sheets. A very valuable result was obtained from I - V characteristics of the studied structures, in which the sensing behavior completely reduces the high temperature effects that appear in the old macro devices. The I - V calculations suggest that the suitable interaction with the electrodes have a rather limited influence on the sensing behavior of the pure and doped graphene sheets . The sensing results from the lowering of the energy gap between the HOMO of the sheet and the Fermi level of the gold electrode in the forward and reverse bias. From the results of the seebeck coefficient, we showed symmetrical contribution of electrons and holes concentrations around the region of the energy, it is found that the largest GR1 has the maximum value of seebeck coefficient. The transmission coefficients observed for the pure graphene sheets take place along a wide range of electron energy because they have not got a scattering region. Also, the sheet with small number of B and P atoms as a dot doped ring in the middle of the sheet GR6 has high value of transmission coefficient, this is due to high number of open channels. In general, the transmission coefficient of the studied sheets has a wide range on energy scale
