АДСОРБЦИЯ АТОМОВ КРЕМНИЯ И УГЛЕРОДА НА ПОВЕРХНОСТИ ГРАФЕНА И ГРАФЕНОПОДОБНЫХ НАНОЧАСТИЦ
|
АННОТАЦИЯ 2
ВВЕДЕНИЕ 4
1 ОПИСАНИЕ МЕТОДА 7
1.1 Теория функционала электронной плотности 7
1.2 Основные приближения 8
1.2.1. Теорема Кона-Хоэнберга 8
1.2.2. Приближение Борна-Оппенгеймера 9
1.2.3. Теория Кона-Шэма 10
1.2.4. Приближения для обменно-корреляционной энергии ... 12
1.3 Вычислительные особенности теории функционала
плотности 15
1.4 k-точки 16
1.5 Нахождение энергии адсорбции атома на поверхности
материала 17
2 ЭНЕРГИЯ АДСОРБЦИИ АТОМОВ УГЛЕРОДА И
КРЕМНИЯ НА ПОВЕРХНОСТИ ГРАФЕНА 19
2.1 Структурная модель графена и его свойства 19
2.2 Построение компьютерной модели графена 21
2.3 Адсорбция атома углерода на поверхности графена 26
2.4 Адсорбция атома кремния на поверхности графена 29
2.5 Энергии адсорбции атомов углерода и кремния на
поверхности графена 32
3 ГРАФЕНОПОДОБНЫЕ НАНОЧАСТИЦЫ 35
3.1 Структурные модели графеноподобных наночастиц и их свойства 35
3.1.1 Структурная модель и свойства бензола 36
3.1.2 Структурная модель и свойства феналена 39
3.1.3 Структурная модель и свойства коронена 42
3.2 Энергии адсорбции атомов углерода и кремния на
поверхности графеноподобных наночастиц 46
3.2.1 Адсорбция атома углерода на поверхности
графеноподобных наночастиц 46
3.2.2 Адсорбция атома кремния на поверхности
графеноподобных наночастиц 54
3.2.3 Вычисление и сравнение энергий адсорбции атомов углерода и кремния на поверхности графеноподобных наночастиц . 61
4 ЭНЕРГИИ АДСОРБЦИИ АТОМОВ УГЛЕРОДА И КРЕМНИЯ НА ПОВЕРХНОСТИ ГРАФЕНА И КОРОНЕНА ПРИ РАЗЛИЧНЫХ УСЛОВИЯХ 65
4.1 Энергии адсорбции атомов углерода и кремния на
поверхности коронена при некоторых ограничениях 65
4.2 Упругие напряжения в структуре графена и коронена 69
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 74
ЛИТЕРАТУРА 76
ВВЕДЕНИЕ 4
1 ОПИСАНИЕ МЕТОДА 7
1.1 Теория функционала электронной плотности 7
1.2 Основные приближения 8
1.2.1. Теорема Кона-Хоэнберга 8
1.2.2. Приближение Борна-Оппенгеймера 9
1.2.3. Теория Кона-Шэма 10
1.2.4. Приближения для обменно-корреляционной энергии ... 12
1.3 Вычислительные особенности теории функционала
плотности 15
1.4 k-точки 16
1.5 Нахождение энергии адсорбции атома на поверхности
материала 17
2 ЭНЕРГИЯ АДСОРБЦИИ АТОМОВ УГЛЕРОДА И
КРЕМНИЯ НА ПОВЕРХНОСТИ ГРАФЕНА 19
2.1 Структурная модель графена и его свойства 19
2.2 Построение компьютерной модели графена 21
2.3 Адсорбция атома углерода на поверхности графена 26
2.4 Адсорбция атома кремния на поверхности графена 29
2.5 Энергии адсорбции атомов углерода и кремния на
поверхности графена 32
3 ГРАФЕНОПОДОБНЫЕ НАНОЧАСТИЦЫ 35
3.1 Структурные модели графеноподобных наночастиц и их свойства 35
3.1.1 Структурная модель и свойства бензола 36
3.1.2 Структурная модель и свойства феналена 39
3.1.3 Структурная модель и свойства коронена 42
3.2 Энергии адсорбции атомов углерода и кремния на
поверхности графеноподобных наночастиц 46
3.2.1 Адсорбция атома углерода на поверхности
графеноподобных наночастиц 46
3.2.2 Адсорбция атома кремния на поверхности
графеноподобных наночастиц 54
3.2.3 Вычисление и сравнение энергий адсорбции атомов углерода и кремния на поверхности графеноподобных наночастиц . 61
4 ЭНЕРГИИ АДСОРБЦИИ АТОМОВ УГЛЕРОДА И КРЕМНИЯ НА ПОВЕРХНОСТИ ГРАФЕНА И КОРОНЕНА ПРИ РАЗЛИЧНЫХ УСЛОВИЯХ 65
4.1 Энергии адсорбции атомов углерода и кремния на
поверхности коронена при некоторых ограничениях 65
4.2 Упругие напряжения в структуре графена и коронена 69
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 74
ЛИТЕРАТУРА 76
В данной выпускной квалификационной работе бакалавра подвергнут исследованию вопрос о возможности использования графеноподобных наночастиц вместо графена при изучении свойств последнего. А именно рассматривается такое физическое явление, как адсорбция атомов углерода и кремния на поверхности графена, так как свойства графена могут изменяться в результате адсорбции [1] атомов. Адсорбция - это процесс, при котором частицы, осаждаемые на поверхность материала, отдают часть своей энергии атомам материала, в результате образуется связь, которая удерживает адсорбированные атомы (адатомы) на поверхности [2]. С практической точки зрения наибольший интерес представляет исследование адсорбции в системе графен- металлическая подложка, однако использование периодических граничных условий в теоретических расчетах приводит к неизбежному появлению искусственных упругих напряжений в слое графена из-за несоответствия параметров решетки графена и металла. Использование в расчетах графеноподобных наночастиц вместо графена могло бы позволить исследовать адсорбцию на не- деформированном графене, не отказываясь от вычислительно эффективных периодических граничных условий. Стоит отметить также, что адсорбция представляет собой довольно сложный процесс для экспериментального изучения [3, 4], но важную информацию представляется возможным получить с помощью теоретических расчётов [5, 6]. Поиск информации по вопросу возможности изучения адсорбции на поверхности графеноподобных наночастиц вместо изучения адсорбции на поверхности графена показал, что степень разработанности данной темы достаточно невелика.
Цель представленной выпускной квалификационной работы бакалавра состоит в исследовании адсорбции атомов кремния и углерода на поверхности графена и графеноподбных наночастиц, а именно: бензола (брутто-формула C6H6), феналена (брутто-формула C13H9) и коронена (брутто-формула C24H12), а также возможность использования графеноподобных наночастиц как приемлемый аналог графена при исследовании его свойств. Ставились следующие задачи:
1. Изучение теоретических аспектов исследуемого вопроса. В том числе поиск статей и учебников, затрагивающих заявленную в названии выпускной квалификационной работы бакалавра темы;
2. Создание необходимых для последующих расчётов моделей графена и графеноподобных структур, таких как бензол, фенален и коронен;
3. Проведение расчётов энергии адсорбции при на поверхности графена и графеноподобных наночастц: бензола, феналена и коронена - в положениях адсорбированного атома над атомом, над мостиком и над центром гексагона.
4. Нахождение вида зависимости энергии адсорбции атомов углерода и кремня на поверхности графена и графеноподобных наночастиц от упругих напряжений в структуре поверхности;
5. Сравнение полученных результатов между собой.
Объектом исследования являются графен и графеноподобные наночастицы: бензол (брутто-формула СбНб), фенален (брутто-формула C12H9) и коронен (брутто-формула С24Н12). Предметом исследования служит явление адсорбции на поверхности представленных выше материалов при некоторых различных условиях. При изучении данного вопроса использовался метод теории функционала электронной плотности для нахождения приближенных решений уравнения Шрёдингера.
Сравнение свойств адсорбированного атома на поверхности графена и графеноподобных наночастиц представляется чрезвычайно значимой задачей. Так как исследовав этот вопрос, можно будет сказать, возможно ли использовать более простые и менее дорогие в получении графеноподобные наночастицы вместо графена при изучении свойств последнего.
В качестве источников информации были использованы учебники, методические пособия, научные статьи, а также привлечены некоторые интер- нет-ресурсы.
Структура работы определена целью и задачами исследования. Выпускная квалификационная работа бакалавра состоит из описания метода исследования, в котором кратко приведены главные моменты используемого при расчётах метода теории функционала электронной плотности, нахождение энергетически выходных мест для адсорбции и энергии адсорбции на поверхности графена, бензола, феналена и коронена, а также исследования адсорбции на поверхности графена и молекулы коронена при различных условиях.
Цель представленной выпускной квалификационной работы бакалавра состоит в исследовании адсорбции атомов кремния и углерода на поверхности графена и графеноподбных наночастиц, а именно: бензола (брутто-формула C6H6), феналена (брутто-формула C13H9) и коронена (брутто-формула C24H12), а также возможность использования графеноподобных наночастиц как приемлемый аналог графена при исследовании его свойств. Ставились следующие задачи:
1. Изучение теоретических аспектов исследуемого вопроса. В том числе поиск статей и учебников, затрагивающих заявленную в названии выпускной квалификационной работы бакалавра темы;
2. Создание необходимых для последующих расчётов моделей графена и графеноподобных структур, таких как бензол, фенален и коронен;
3. Проведение расчётов энергии адсорбции при на поверхности графена и графеноподобных наночастц: бензола, феналена и коронена - в положениях адсорбированного атома над атомом, над мостиком и над центром гексагона.
4. Нахождение вида зависимости энергии адсорбции атомов углерода и кремня на поверхности графена и графеноподобных наночастиц от упругих напряжений в структуре поверхности;
5. Сравнение полученных результатов между собой.
Объектом исследования являются графен и графеноподобные наночастицы: бензол (брутто-формула СбНб), фенален (брутто-формула C12H9) и коронен (брутто-формула С24Н12). Предметом исследования служит явление адсорбции на поверхности представленных выше материалов при некоторых различных условиях. При изучении данного вопроса использовался метод теории функционала электронной плотности для нахождения приближенных решений уравнения Шрёдингера.
Сравнение свойств адсорбированного атома на поверхности графена и графеноподобных наночастиц представляется чрезвычайно значимой задачей. Так как исследовав этот вопрос, можно будет сказать, возможно ли использовать более простые и менее дорогие в получении графеноподобные наночастицы вместо графена при изучении свойств последнего.
В качестве источников информации были использованы учебники, методические пособия, научные статьи, а также привлечены некоторые интер- нет-ресурсы.
Структура работы определена целью и задачами исследования. Выпускная квалификационная работа бакалавра состоит из описания метода исследования, в котором кратко приведены главные моменты используемого при расчётах метода теории функционала электронной плотности, нахождение энергетически выходных мест для адсорбции и энергии адсорбции на поверхности графена, бензола, феналена и коронена, а также исследования адсорбции на поверхности графена и молекулы коронена при различных условиях.
В моей выпускной квалификационной работе исследован вопрос такого физического явления, как адсорбция атомов на поверхность материала. А именно, изучался процесс адсорбции атомов углерода и кремния на поверхности графена и графеноподобных наночастиц, таких как бензол, фенален и коронен. В результате проведённой исследовательской работы найдены:
1. Оптимальная длина связи углерод-углерод в графене, которая оказалась равна 1,42А;
2. Оптимальные длины связей углерод-углерод и углерод-водород в бензоле, феналене и коронене. Длины связей углерод-углерод варьируются от 1,38 А до 1,43 А в зависимости от молекулы и типа связи в молекуле. Такое различие связей является следствием различного воздействия на тот или иной атом, чем больше воздействие, тем длиннее связь. Длина связи углерод-водород во всех молекулах равна 1,09 А.
3. Энергии и оптимальные положения для адсорбции атомов углерода и кремния на поверхности графена, бензола, феналена и коронена. Наименьшую энергию адсорбции имеют атомы углерода на поверхности бензола, наибольшую энергию адсорбции имеют атомы кремния на поверхности графена. Энергии адсорбции атомов углерода и кремния на поверхности графеноподобных наночастиц не совпадают с энергиями адсорбции атомов углерода и кремния на поверхности графена. Оптимальные места для адсорбции на поверхности графена и графеноподобных наночастиц отличаются, хотя имеются общие оптимальные положения адсорбции атомов углерода и кремния - над мостиком;
4. Общая тенденция для энергии адсорбции атомов углерода и кремния на поверхности графена и графеноподобных наночастиц: при увеличении массы и порядка адсорбированного атома энергия адсорбции атома на поверхности графена и графеноподобных наночастиц увеличивается.
5. Изменение энергий адсорбции атомов углерода и кремния на поверхности коронена при разных условиях: при фиксации координаты z и снятия фиксации с координаты z. При различных условиях для разных адатомов энергии адсорбции этих атомов на поверхности коронена могут как увеличиваться, так и уменьшаться, общей тенденции изменения энергии адсорбции не наблюдается. Конечные положения адсорбированных атомов углерода и кремния при различных условиях схожи, но не идентичны.
6. Зависимость энергии адсорбции атомов углерода и кремния на поверхности графена и коронена при создании упругих напряжений. Для энергии адсорбции атомов углерода и кремния на поверхности графена наблюдается одинаковая тенденция: при росте значения процентов от оптимальной длины связи (при увеличении длины связи) энергия адсорбции монотонно уменьшается. Для энергии адсорбции атомов углерода и кремния на поверхности коронена наблюдается одинаковая тенденция: энергия адсорбции уменьшается с увеличением упругих напряжений в структуре молекулы, на которую производится адсорбция, но при этом остаётся выше энергии адсорбции атомов углерода и кремния на недеформированной поверхности молекулы. Виды зависимостей энергии адсорбции атомов углерода и кремния от упругих напряжений в структуре для графена и коронена не совпадают.
Полученные в данной работе результаты указывают на невозможность использования молекул бензола, феналена и коронена в качестве моделей графена при теоретическом исследовании адсорбции атомов на поверхность графена. Причины столь различного поведения структурно подобных систем требуют дальнейшего изучения.
1. Оптимальная длина связи углерод-углерод в графене, которая оказалась равна 1,42А;
2. Оптимальные длины связей углерод-углерод и углерод-водород в бензоле, феналене и коронене. Длины связей углерод-углерод варьируются от 1,38 А до 1,43 А в зависимости от молекулы и типа связи в молекуле. Такое различие связей является следствием различного воздействия на тот или иной атом, чем больше воздействие, тем длиннее связь. Длина связи углерод-водород во всех молекулах равна 1,09 А.
3. Энергии и оптимальные положения для адсорбции атомов углерода и кремния на поверхности графена, бензола, феналена и коронена. Наименьшую энергию адсорбции имеют атомы углерода на поверхности бензола, наибольшую энергию адсорбции имеют атомы кремния на поверхности графена. Энергии адсорбции атомов углерода и кремния на поверхности графеноподобных наночастиц не совпадают с энергиями адсорбции атомов углерода и кремния на поверхности графена. Оптимальные места для адсорбции на поверхности графена и графеноподобных наночастиц отличаются, хотя имеются общие оптимальные положения адсорбции атомов углерода и кремния - над мостиком;
4. Общая тенденция для энергии адсорбции атомов углерода и кремния на поверхности графена и графеноподобных наночастиц: при увеличении массы и порядка адсорбированного атома энергия адсорбции атома на поверхности графена и графеноподобных наночастиц увеличивается.
5. Изменение энергий адсорбции атомов углерода и кремния на поверхности коронена при разных условиях: при фиксации координаты z и снятия фиксации с координаты z. При различных условиях для разных адатомов энергии адсорбции этих атомов на поверхности коронена могут как увеличиваться, так и уменьшаться, общей тенденции изменения энергии адсорбции не наблюдается. Конечные положения адсорбированных атомов углерода и кремния при различных условиях схожи, но не идентичны.
6. Зависимость энергии адсорбции атомов углерода и кремния на поверхности графена и коронена при создании упругих напряжений. Для энергии адсорбции атомов углерода и кремния на поверхности графена наблюдается одинаковая тенденция: при росте значения процентов от оптимальной длины связи (при увеличении длины связи) энергия адсорбции монотонно уменьшается. Для энергии адсорбции атомов углерода и кремния на поверхности коронена наблюдается одинаковая тенденция: энергия адсорбции уменьшается с увеличением упругих напряжений в структуре молекулы, на которую производится адсорбция, но при этом остаётся выше энергии адсорбции атомов углерода и кремния на недеформированной поверхности молекулы. Виды зависимостей энергии адсорбции атомов углерода и кремния от упругих напряжений в структуре для графена и коронена не совпадают.
Полученные в данной работе результаты указывают на невозможность использования молекул бензола, феналена и коронена в качестве моделей графена при теоретическом исследовании адсорбции атомов на поверхность графена. Причины столь различного поведения структурно подобных систем требуют дальнейшего изучения.
