Δισδιάστατες δομές Γερμανίου, Πυριτίου και Γραφενίου

Abstract

Αντικείμενο της εργασίας αυτής είναι η μελέτη των δομών και των ηλεκτρονικών ιδιοτήτων για διάφορες δισδιάστατες δομές γραφενίου, πυριτίου και γερμανίου. Συγκεκριμένα μελετήθηκαν οι λεγόμενες δομές siloxene, germoxene και η αλληλεπίδραση του γραφενίου με τη λεγόμενη δομή silicane. Στην πράξη υπάρχουν πολλές δυνατές γεωμετρίες για αυτές τις δομές και έπρεπε να μελετηθούν οι πιο σταθερές. Όλοι οι υπολογισμοί έγιναν με τη βοήθεια του λογισμικού VASP το οποίο βασίζεται στην θεωρία Density Functional Theory. Στο πρώτο κεφάλαιο γίνεται μια επισκόπηση της θεωρίας και στα υπόλοιπα κεφάλαια παρουσιάζονται τα αποτελέσματα των υπολογισμών για τις δομές που μελετήθηκαν. Το θέμα της διπλωματικής εργασίας πηγάζει από το έντονο ενδιαφέρον που υπάρχει πρόσφατα για τις δισδιάστατες δομές Si και Ge, τα silicene και germanene. To siloxene και το germoxene είναι 2-D υλικά με σχήμα όπου τα άτομα Ge και Si είναι τοποθετημένα σε μια διάταξη που θυμίζει το σχήμα της κηρήθρας. Σε αυτό το πλέγμα έχουν εννωθεί άτομα Η και ΟΗ. Στην παρούσα διπλωματική εργασία βγήκε ως συμπέρασμα πως η πιο σταθερή δομή είναι η λεγόμενη washboard τόσο για το siloxene όσο και για το germoxene. Αξίζει να σημειωθεί πως σε προηγούμενες μελέτες είχε γίνει η υπόθεση πως η πιο σταθερή δομή είναι η λεγόμενη chair. Αυτό το συμπέρασμα των προηγούμενων μελετών είχε βγει ad hoc. H washboard δομή είναι πιο σταθερή από την chair σύμφωνα με τους DFT υπολογισμούς που έγιναν. Επίσης, μελετήθηκαν οι οπές Η και ΟΗ σε αυτά τα υλικά. Βγήκε ως συμπέρασμα πως προκύπτει μια πόλωση του spin και πως αυτά τα υλικά έχουν την τάση να διαμορφώνουν δύο οπές κοντά μεταξύ τους. Αυτή η σταθερότητα οφείλεται στο γεγονός πως γίνονται δεσμοί υδρογόνου ανάμεσα στα άτομα του υδροξυλίου. Τέλος, μελετήθηκαν οι ηλεκτρονικές ιδιότητες των υλικών αυτών και βγήκε το συμπέρασμα πως το germoxene και το siloxene είναι ημιαγωγοί με ενεργειακό κενό 2.64 eV 3.20 eV αντίστοιχα. Η διπλωματική εργασία τελειώνει με μια μελέτη για την αλληλεπίδραση του silicane με το γραφένιο. Υπάρχει ένα ενεργειακό όφελος όταν αυτά τα δύο υλικά δημιουργήσουν δεσμό.

The purpose of this thesis is the research of the electronic properties of certain silicon,germanium and graphene structures. Namely, the structures that were studied were the socalled siloxene, germoxene and the interaction of a graphene layer with silicane. There are many different ways that those structures could exist in nature. All calculations were done with a software called VASP that is based on the Density Functional Theory. The topic of the thesis occurred as a consequence of the intense research interest for the 2-dimensional structures. Siloxene and germoxene are 2-D materials that there structure resembles the honeycomb. In this backbone of Si and Ge, H and OH molecules are attached. The conclusion of this thesis states that the most stable structure is the so called washboard. This is true for the siloxene and the germoxene. It is important to say that in previous studies another structure was mentioned as more stable, the so called chair structure. This stability was considered ad hoc. The washboard structure is more stable than the chair according to the DFT calculations that were done. Moreover, the H and OH vacancies of those materials were examined. In stuctures with vacancies spin polarization occurs and these 2D materials have a tendency to pair up in stable di-vacancies. The stability of the washboard configuration relates to the formation of a network of hydrogen bonds between its hydroxyl groups.In addition, the electronic structures of germoxene and siloxene were examined. Germoxene and siloxene are wide-band gap semiconductors with a 2.64 eV and 3.20 eV energy gap respectively. The thesis ends with a research project on the interaction of silicane with graphene. There is an energy gain if those two materials form a bond.