خواص الكترونيكي، مغناطيسي، و ترابردي نانوگرافن ها

كارشناسي ارشد

اتم كربن يكي از مهمترين عناصر در طبيعت است. ازاين سو ساختارهاي مبتني بر پايه كربن، توجه بسياري را در سال هاي گذشته به خود جلب كرده. تقريبا هر موجود زنده اي و هر الماني بروي كره زمين به نوعي، ساختارهايي بر پايه اتم كربن دارند. علاوه بر اين، كربن نقش مهمي در جامعه بشري از لحاظ فناوري، پزشكي و ارتباطات ايفا كرده است. اتم كربن عنصري از گروه 14 ام جدول تناوبي و داراي 4 الكترون در نوار ظرفيت است، كه هر كدام پيوند هاي شيميايي (پيوند كووالان) متفاوتي را به وسيله هيبريداسيون هاي مختلف تشكيل ميدهند$ (sp، sp2، و sp3).$ فيزيك دان ها و شيمي دان ها به خوبي با انعطاف پذيري بالا در اتم كربن در خصوص هيبريداسيون هاي مختلف آشنا و آگاه هستند زيرا امكان تشكيل طيف گسترده اي از مواد مبتني بر كربن را فراهم مي آورد.درحال حاضر، بررسي خواص الكرونيكي و مغناطيسي نانوساختار هاي كربني يكي از مهمترين و داغ ترين موضوعات قابل مطالعه و تحقيق در حوزه هاي مختلف علمي است. بسياري از محققان و مهندسان در حال كار بر روي طراحي و سنتز مواد جديد مبتني بر اتم كربن هستند كه نقش اساسي در جامعه بشري را دارند، به طوري كه خواص و كاربرد اين مواد جديد روند رو به افزايشي را ثبت كرده است. مغناطش به صورت معمول، شامل عناطر گروه$ d $و گروه$ f$ جدول تناوبي ميشود. اما اتم كربن به خودي خود، خواص مغناطيسي از خود ندارد. حتي فازهاي جامد مانند الماس و گرافيت هم به مانند اتم كربن خاصيت مغناطيسي از خود نشان نميدهند. به همين دليل ظهور مغناطش در نانوگرافن ها فرصت هاي بسيار خاص و متنوعي را در تكنولوژي و كابرد آن در آينده را پيشنهاد ميكند. مانند دستگاه هاي اسپين ترونيك و ترازيستورهاي اثر ميداني. به نظر مي رسد توليد مواد مغناطيسي مبتني بر اتم كربن به دليل پايين بودن هزينه توليد در مقايسه با همتايان فلزي آن، بسيار سودمند باشد. اين پايان نامه بر اساس سيستم هاي گرافني (نانوگرافن ها) نوشته شده است كه در آن ساختار نواري، خواص مغناطيسي كه در نتيجه كاهش ابعاد و اختلالات پديدار مي شود، و همينطور ترابرد اسپيني مورد تحقيق و بررسي قرار ميگيرند. به طور خاص، گرافن نانوريبون هاي دو بعدي با دو تقارن كريستالوگرافي بالا ( آرمچير و زيگزاگ)، هم به صورت نامحدود و هم به صورت محدود (كوانتوم دات و آنتي دات هاي گرافني)، و همچنين نانولوله هاي كربني يك بعدي، در اين پايان نامه پوشش داده ميشوند. در قسمت ابتدايي اين پايان نامه روشي را پيشنهاد ميكنيم كه ميتواند ساختار نواري مواد ذكر شده را با دقت خوبي مدل كند. روال كار بر اساس مدل رايج و ساده نظريه تنگ بست است كه نقش مهمي را در ارايه ساختار نواري مواد گرافني و مشتقات آن را دارد. نظريه تنگ بست با موفقيت ساختار نواري اين مواد را مورد بررسي قرار داده است. اين مدل پيش بيني ميكند كه$ N-aGNRs$ رسانا است اگر و تنها اگر $N=3l+2$ باشد و در غير اين صورت ساختار گرافني يك نيمه رسانا است. $l$ يك عدد مثبت صحيح است. همچنين، مدل تنگ بست، در مورد نانولوله هاي كربني تك ديواره، كه از رول كردن يك صفحه گرافن بوجود آمده، پيش بيني رسانا بودن $1/3$ نانولوها را ميدهد، در حالي كه $2/3$ باقي مانده رفتار نيمه رسانايي دارند. علاوه بر اين ،مكانيسم هاي فيزيكي كه علت ظهور مغناطش در نانوگرافن ها است، با كمك كدهاي دقيق كامپيتوري بس ذره اي مبتني بر نزديكترين همسايه در مدل تنگ بست، در تركيب با مدل هابارد در تقريب ميدان متوسط، نشان داده شده است. چگالي بالاي حالت هاي الكتروني در انرژي هاي كم در$ zGNRs$، نشان از خاصيت مغناطيسي اين ساختار دارد. جواب خود سازگار ميدان متوسط در مدل هابارد براي نانوگرافن زيگزاگ، وجود ممان مغناطيسي جايگزيده، در لبه لبه هاي اين ساختار را نشان ميدهد. ممان هاي مغناطيسي جايگزيده، جهت گيري فرومغناطيس و پادفرومغناطيس در طول لبه هاي زيگراگ را نشان ميدهد. حالت پايه پاد فرومغناطيس داراي گاف انرژي در نزديكي انرژي فرمي دارد، در حالي كه حالت فرومغناطيس رفتار فلزي دارد كه دو نوار در نزديكي سطح فرمي همديگر را قطع ميكنند. علاوه بر اين، يك بحث جامع و كامل براي وجود حالت هايي با انرژي صفر در كوانتوم نانوگرافن دات ها براي سيستم هاي دوعضوي و غير دوعضوي وجود دارد.در آخر، به نظر ميرسد كه گرافن ماده اي مناسب براي ترابرد كوانتومي باشد. در مرحله اول، ويژگي ترابرد در گرافن مرتبط به چگالي بسيار كم اتم كربن كه در نتيجه آن منجر به اسپين-مدار و كوپل شدگي بسيار ضعيف ميشود. استراتژي عملي براي درك خاصيت ترابرد در$ zGNRs$ با استفاده از فرمولاسيون لانداير در تركيب با رويكردي از توابع گرين وجود دارد كه به طور دقيق شرح داده است.

194357

دانشگاه علم و صنعت ايران

حالت جامد

دكتر ادريس فيض آبادي