Author name: ايات عبد السادة يوسف طعيمه

Supervisor name: حامد ابراهيم عبود محمد التميمي | رباب سعدون عبدون

General topic: Physics

Specific topic: Physics

Degree: Master

University: University of Babylon - College Of Science - Physics Department

Language: English

University location: Babylon

First pages:

Abstract: تركز هذه الرسالة على معالجة الميكانيك الكمي للخواص التركيبية والالكترونية لشرائط الكرافين النانوية. تم استعمال نظرية دالية الكثافة مع الدالة الهجينة لي - يانغ - بار ذات المعاملات الثلاث والدوال الاساس 6 - 31G لتخمين التراكيب المقسمة الى اربع مجاميع وهي شرائط الكرافين النانوية النقية كمجموعة اولى وثانية، شرائط فلور - وكلور - كرافين النانوية كمجموعة ثالثة، وشرائط اوكسيد الكرافين النانوية كمجموعة رابعة. تشتمل الحسابات على معرفة تاثيرات عرض الشرائط النانوية واضافة ذرات مختلفة على الخواص التركيبية والالكترونية لشريط الكرافين النانوي. تم تصميم التراكيب المدروسة باستعمال برنامج Nanotube Modular وتطبيق حسابات نظرية دالية الكثافة باستعمال برنامج Gaussian 09 . ان الحسابات التخمينية للتراكيب النانوية تعتبر اداة مفيدة لتخمين الخواص التركيبية والالكترونية لهذه التراكيب قبل تحضيرها ودراستها مختبريا. تتضمن الخواص التركيبية المحسوبة كل من المعاملات الهندسية للتراكيب والاحداثيات القياسية لجميع الذرات في كل تركيب. وتتضمن الخواص الالكترونية كل من الطاقة الكلية، الحالات الالكترونية (طاقات المستوي الجزيئي العلوي المشغول والمستوي الجزيئي السفلي الفارغ)، فجوة الطاقة، بعض المتغيرات الالكترونية، الكثافة الالكترونية الكلية، الجهد الكهروستاتيكي، كثافة الحالات، عزم ثنائي القطب والاستقطابية الجزيئية واطياف الاشعة تحت الحمراء الخاصة بتلك التراكيب. تم حساب المتغيرات الالكترونية مثل طاقة التاين، الالفة الالكترونية، الكهروسالبية، المرونة الالكترونية، الصلادة الكهروكيميائية ومعامل التالف مع الاوساط طبقا لما يسمى نظرية التعامد المداري ( نظرية كوبمان). لقد وجد ان المعاملات الهندسية لشرائط الكرافين النانوية النقية المحسوبة في الدراسة الحالية تتفق بشكل جيد مع القيم العملية نتيجة للامثلية الهندسية التي تم الحصول عليها لتلك التراكيب، اما بالنسبة لشرائط الكرافين النانوية المطعمة فلم يتم الحصول على بيانات سابقة وعليه فان الدراسة الحالية قد زودتنا ببيانات جديدة في هذا المجال. ان الطاقة الكلية لشرائط الكرافين النانوية تتناقص بزيادة كل من عرض الشريط والاعداد الذرية للذرات في الشريط. ان النتائج التي تم التوصل اليها من خلال هذا البحث، ان فجوة الطاقة لشرائط الكرافين النانوية النقية بعدم وجود ذرات الهيدروجين في النهايات الطرفية لحلقات الفينيل تزداد بزيادة عرض الشريط. بينما تتناقص فجوة الطاقة لشرائط الكرافين النانوية النقية بوجود ذرات الهيدروجين في النهايات الطرفية لحلقات الفينيل مع زيادة عرض الشريط. بالنسبة للشريط بنفس العرض، كان فقط الشريط الاقل عرضا وبوجود ذرات هيدروجين فانه يمتلك فجوة طاقة اكبر مما هو للشريط بنفس العرض وبعدم وجود ذرات هيدروجين. ان استبدال ذرات الفلور والكلور بدلا من ذرات الهيدروجين ادى الى اختزال بسيط في فجوة الطاقة وهذا نتيجة للاتحاد الخطي للمدارات الذرية لذرات مختلفة لتشكيل المدارات الجزيئية. من جانب اخر، فان اضافة ذرات الاوكسجين بدلا من ذرات الهيدروجين لبناء شرائط اوكسيد الكرافين النانوية ادى الى تغيير طاقات المستوي الجزيئي العلوي المشغول والمستوي الجزيئي السفلي الفارغ وبالتالي فان التراكيب في مجموعتي شرائط اوكسيد الكرافين النانوية تمتلك قيم مختلفة من فجوة الطاقة وهي تعتمد على عدد وموقع ذرات الاوكسجين في كل تركيب. تعد هذه النتيجة الاساس المستقبلي للدراسة الحالية حيث ان بعض شرائط اوكسيد الكرافين النانوية تمتلك خواص عوازل وبعضها تمتلك تطبيقات اشباه موصلة. كما بينت النتائج ان طاقة التاين، الالفة الالكترونية والكهروسالبية لشرائط الكرافين النانوية النقية بوجود ذرات الهيدروجين هي اعظم منها لكل من شرائط الكرافين النانوية النقية بعدم وجود ذرات الهيدروجين في النهايات الطرفية لحلقات الفينيل في الشرائط، بينما الصلادة الكهروكيميائية تتناقص والمرونة الالكترونية تزداد باضافة ذرات الهيدروجين ماعدا الشريط الاول الاصغرفان له سلوك مغاير. ان جميع المتغيرات الالكترونية لشرائط كلور - وفلور - الكرافين النانوية كانت اقل منها لشرائط الكرافين النانوية النقية ماعدا المرونة الالكترونية فانها تزداد باضافة ذرات الفلور والكلور. علاوة على ذلك، ان انحلال مستويات الطاقة لكل تركيب يعتمد على كل من عرض الشريط، نوع وعدد وموقع الذرات في الشريط. بشكل عام، ان النتائج التي تم التوصل اليها في هذه الدراسة تشير الى بناء تراكيب جديدة لها خواص الكترونية جديدة مختلفة. لقد تم ايجاد اشكال مختلفة للجهد الكهروستاتيكي والكثافة الالكترونية الكلية طبقا لمناطق التوزيع المتماثل وغير المتماثل للشحنات في كل تركيب. كما ان النتائج قد بينت ان شرائط الكرافين النانوية النقية بعدم وجود ذرات هيدروجين تمتلك استقطابية جزيئية اعظم منها لتلك الشرائط النقية بوجود ذرات الهيدروجين. كذلك فان الاستقطابية الجزيئية تزداد بزيادة عرض الشرائط. ان اضافة ذرات الفلور، الكلور والاوكسجين بدلا من ذرات الهيدروجين قد ادى الى امتلاك التراكيب قيم مختلفة من الاستقطابية الجزيئية واعتمادا على نوع وموقع وعدد الذرات في كل تركيب. ان القيم المحسوبة لترددات اهتزازات التمدد والانحناء من اطياف الاشعة تحت الحمراء لمجموعتي شرائط الكرافين النانوية النقية قد دلت على توافق جيد مع النتائج العملية لمركبات الفينيل الحلقية. بينما لشرائط كلور - وفلور - واوكسيد الكرافين النانوية فان الدراسة الحالية قد اعطت بيانات جديدة في هذه الخاصية. | This thesis focuses on the quantum mechanical treatment of the structural, electronic and spectroscopic properties of Graphene NanoRibbons (GNRs). Density Functional Theory (DFT) was used with hybrid functional B3LYP/6 - 31G level of theory to investigate the proposed structures. These structures are divided into four groups, which are pure GNRs as a first group and second group, fluoride - and chloride - GNRs as third group, as well as oxidant - GNRs as a fourth group. The aim of this work concerne on the effect of the nanoribbons width and studying the effects of adding different atoms on the structural and electronic properties of GNR. The proposed structures were designed using nanotube Modular program and the DFT calculations have been performed using Gaussian 09 package of programs. Before the nanostructures are reorganized and studied in the laboratory, the computational calculations provide a useful tool for estimating the structural and electronic properties to offer information about these mentioned materials. The calculated structural properties included the geometrical parameters of the structures and the standard coordinates of all atoms in each structure. The electronic properties included the total energy, electronic states (HOMO and LUMO energies), energy gap, some electronic variables, electron density, electrostatic potential, density of states, molecular Polarizability and the relative IR - spectra. The electronic variables are calculated according to the so called orbital vertical theorem (Koopmans theorem).The results showed, the geometrical optimization of all pure GNRs have been found in a good agreement with experimental data due to their relaxation, and for the others doped GNRs, there is no reference data. The current study supplies new data in this field. The total energy of GNRs decreased with the increasing of the number of atoms in the nanoribbon. In addition, the results showed that, the energy gap of pure GNRs without hydrogen atoms in the terminal ends of phenyl rings increased with the increasing of the width of the nanoribbon. While the energy gap of pure GNRs with hydrogen atoms in the terminal ends of phenyl rings reduced with the increasing of the width of the nanoribbon. For the same width of the nanoribbon, only the smaller one with hydrogen atoms has larger energy gap than that without hydrogen atoms. Replacing the hydrogen atoms by fluorine and chlorine atoms in the nanoribbons leads to few reducing in the energy gap; this is due to the linear combination of atomic orbitals of different atoms to construct the molecular orbitals. On the other hand, adding the oxygen atoms instead of hydrogen atoms to construct the oxidant - GNRs changes both the HOMO and LUMO energies, and therefore, the structures in the two groups of oxidant - GNRs have various values of energy gap depending on the number and position of the oxygen atoms in each structure. This result is the main feature of current study in which some of the oxidant - GNRs have insulating properties and the others have semiconducting applications. The results showed that, IE, EA and EN of the pure GNRs with hydrogen atoms are greater than that of both pure GNRs without hydrogen atoms in the terminal ends of phenyl rings in the nanoribbons, while H is decreased and S is increased with adding hydrogen atoms except the first smaller nanoribbon, it has inverse behavior. All the electronic variables of fluorine and chloride - GNRs are smaller than that of pure GNRs except S, it was increased with adding of fluorine and chlorine atoms. Moreover, the degeneracy of energy levels of each structure depends on the width of the nanoribbon, the type, number and position of atoms in the nanoribbon. In general, the results of this study refer to that; the proposed constracted structures are of varies electronic properties. It found that, there are different shapes of electrostatic potential and total electron density according to the symmetric and asymmetric distribution areas of charges in each structure.The results showed the pure GNRs without hydrogen atoms have molecular polarizability greater than that of the pure GNRs with hydrogen atoms. So, the molecular polarizability was increased with the increasing of the width of the nanoribbons. Adding fluorine, chlorine and oxygen atoms instead of hydrogen atoms gave the structures different values of molecular polarizability depending on the type, position and number of atoms in each structure. The calculated values of frequency of stretching and bending vibrations from IR - spectra of the two groups of pure GNRs showed good agreement with experimental results of the phenyl rings compounds. While for the fluorine, chloride - GNRs and oxidant GNRs, this study supplies a new data in this aspect.