Тема: Влияние азотных дефектов на электронную структуру и квантовую емкость в графене

Результаты экспериментальных исследований свойств графена, проведенные в последние десятилетия, вызвали настоящий «графеновый бум» и привели к выделению исследований графена и других двумерных материалов на его основе в отдельную область нанотехнологий. Графен и его производные в настоящее время рассматриваются в качестве наиболее перспективных компонентов электронных устройств нового типа и химических сенсоров.
Графен характеризуется высокой подвижностью носителей заряда, теплопроводностью, электропроводностью, а также зависимостью этих свойств от модификации структуры материала и от природы внешних воздействий. В частности, обнаружено, что присоединение к плоскости графена различных функциональных групп не только изменяет электронную проводимость этого материала, но и обеспечивает ему избирательное сродство к определенным молекулам из внешней среды, в том числе биологическим [1].
Графен представляет собой материал, структура которого может быть настроена путем облучения, отжига, функционализации, легирования и др. [2]. Графен, получаемый современными методами, часто содержит различные дефекты структуры. Среди различных методов модификации структуры материала особое место занимает азотирование, так как внедрение азота в графеновую матрицу может привести к изменению типа проводимости с металлического на полупроводниковый, повышению электрокаталитической активности и другим изменениям электрофизических свойств [3 - 5].
При облучении и отжиге азотированного графена происходит перераспределение азотных дефектов в структуре материала. Также азотирование влияет на изменение электроемкости такого материала [2].
Исследователями [4] отмечается, что в настоящее время представляет фундаментальный и технологический интерес выявление корреляции между электронной и кристаллической структурой графена при формировании топологических дефектов и последующей адсорбции азота на поверхности. Таким образом, крайне важным является вопрос о влиянии топологических дефектов структуры, местоположения и концентрации в структуре сорбированных газов на изменения его электронной структуры. Изучение влияния модификации графена на изменение его электронной структуры важно для понимания фактов, определяющих механизмы электропроводности, теплопроводности и других электронных свойств материала.
Исходя из вышесказанного, цель работы состоит в определении влияния азотных дефектов на изменение электронной структуры и квантовой емкости графена. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
1. Получить структурные и электронные характеристики азотированного
графена с разными дефектными комплексами;
2. Провести анализ и сопоставление полученных результатов с
экспериментальными данными;
3. Вычислить квантовую ёмкость азотированного и чистого графена;
4. Установить влияние азота на изменение электронных характеристик и квантовой емкости графена.
Купить

В результате проделанной работы было проведено моделирование структуры идеального листа графена, а также листа графена с различными азотными конфигурациями: графитоподобной, пиридиновой и пиррольной. Показано, что размер расчётной решетки, при котором структуры азота замещения и пиридинового азота остаются стабильны, должна состоять из 30 атомов и более, а для пиррольного азота - из 50 атомов углерода и больше.
Рассчитано число k - точек, энергия обрезания и параметры решетки в рамках приближений LDA и GGA. Показано, что для получения результатов, согласующихся с экспериментом, необходимо использовать не менее 7 х 7 х 1 k - точек, энергию обрезания - 747,7 эВ. Рассчитанная при этих параметрах постоянная решетки составляет 0,244 - 0,246 нм. Проведенное сопоставление рассчитанного параметра решетки с экспериментальными данными показало, что наилучшее согласие достигается при использовании для расчетов приближения LDA.
Рассчитаны размеры кристаллитов для исходного, отожженного и облученного образцов графена. Показано, что размер кристаллитов чистого и азотированного графена определяется типом постобработки материала: при отжиге - увеличивается в 1,4 раза, при облучении - уменьшается в 2 раза относительно исходного.
Проведены исследования стабильности различных азотных дефектных структур в графене с разным размером исходной ячейки: азот замещения, пиридинового и пиррольного. Установлено, что пиррольный азот может существовать только в больших ячейках. Азот замещения и пиридиновый азот устойчивы в кристаллитах как больших, так и малых размеров. Наиболее стабильным из трех рассмотренных конфигураций является азот замещения.
Проведено исследование причин перераспределения азотных дефектов при постобработке азотированного графена. Показано, что перераспределение азотных дефектов в материале в результате постобработки определяется как величиной энергии связи, так и стабильностью определенной азотной конфигурации в кристаллитах разного размера. Получено качественное согласие с экспериментальными данными.
Проведено исследование электронной структуры и плотности электронных состояний для азота замещения, как самой стабильной и часто встречающейся экспериментально конфигурации. Показано, что добавление азота замещения не приводит к открытию щели в плотности электронных состояний, а сдвигает уровень Ферми на - 0,711 эВ. Следовательно, добавление графитоподобного азота в графеновую матрицу металлизирует материал.
С использованием плотности электронных состояний рассчитана квантовая емкость чистого и с азотом замещения графена. Проведенный расчет зависимости квантовой емкости от величины внешнего потенциала чистого и азотированного графена показал, что при добавлении азота квантовая емкость увеличивается, а тип зависимости от потенциала меняется. Следовательно, причинами изменения полной электроемкости азотированного графена по сравнению с чистым материалом может являться увеличение квантовой емкости, вносящей существенный вклад в рассматриваемые материалы.

Купить