Υπολογιστική μελέτη από πρώτες αρχές μοντέρνων δισδιάστατων υλικών

Μπουκουβάλα, Χριστίνα; Boukouvala, Christina

dc.contributor.author	Μπουκουβάλα, Χριστίνα	el
dc.contributor.author	Boukouvala, Christina	en
dc.date.accessioned	2017-10-30T10:01:43Z
dc.date.available	2017-10-30T10:01:43Z
dc.date.issued	2017-10-30
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/45843
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.14289
dc.rights	Default License
dc.subject	Πρώτες αρχές	el
dc.subject	Θεωρία συναρτησιοειδούς πυκνότητας	el
dc.subject	Δισδιάστατα νανοϋλικά, γραφένιο	el
dc.subject	Διχαλκογενίδια μετάλλων μετάπτωσης	el
dc.subject	Δικυανίδια μετάλλων μετάπτωσης	el
dc.subject	First principles	en
dc.subject	Density functional theory (DFT)	en
dc.subject	Two-dimensional nanomaterials	en
dc.subject	Graphene	en
dc.subject	Transition metal dichalcogenides	en
dc.subject	Transition metal dicyanates	en
dc.title	Υπολογιστική μελέτη από πρώτες αρχές μοντέρνων δισδιάστατων υλικών	el
dc.title	Computational research on first principles of modern two-dimensional materials	en
heal.type	bachelorThesis
heal.classification	Επιστήμη των υλικών	el
heal.classification	Materials Science	en
heal.language	el
heal.access	free
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2017-07-14
heal.abstract	Η έρευνα στα δισδιάστατα υλικά έχει γνωρίσει τα τελευταία χρόνια μεγάλη ανά-πτυξη με την ανακάλυψη ολοένα και περισσότερων δισδιάστατων συστημάτων. Το ερέθισμα που προκάλεσε την μεγάλη αυτή άνθιση στην μελέτη τέτοιων υλικών ήταν οι εντυπωσιακές ιδιότητες του γραφενίου. Τα αναπτυσσόμενα δισδιάστατα συστήματα μπορεί να έχουν διάφορες δομές αλλά συνδέονται με ένα κοινό χαρακτηριστικό που ουσιαστικά εξασφαλίζει την σταθερότητά τους: την ανυπαρξία ελεύθερων ριζών στις δομές τους που δεν τους επιτρέπει να συνδεθούν με γειτονικά συστήματα, καταστρέ-φοντας έτσι την δισδιάστατη δομή τους. Όπως περιγράφεται στο πρώτο κεφάλαιο της εργασίας, η μελέτη μοριακών ή κρυ-σταλλικών δομών γίνεται με τη χρήση αλγορίθμων και υπολογιστικών μεθόδων, οι οποίες στοχεύουν, με διάφορες προσεγγίσεις, να περιγράψουν όσο το δυνατόν καλύ-τερα την πραγματική φύση των δομών. Οι υπολογιστικές, αυτές, προσομοιώσεις προσδιορίζουν τις ιδιότητες των υλικών, η γνώση των οποίων είναι απαραίτητη ώστε αυτά να αξιοποιηθούν σε διάφορες εφαρμογές. Στην παρούσα μελέτη χρησιμοποιήθη-καν κβαντομηχανικές υπολογιστικές μέθοδοι πρώτων αρχών, και συγκεκριμένα η θε-ωρία συναρτησιοειδούς πυκνότητας (Density Functional Theory, DFT). Η θεωρία DFT αναδεικνύεται μέσα από την περιγραφή προγενέστερων προσεγγίσεων στην επί-λυση του προβλήματος των πολλών σωματιδίων, όπως η προσέγγιση Hartree και η προσέγγιση Hartree-Fock. Στο πρώτο κεφάλαιο περιγράφονται επίσης, το λογισμικό που χρησιμοποιήθηκε για την πραγματοποίηση των υπολογισμών, δηλαδή το Quan-tum Espresso, αλλά και η υπολογιστική υποδομή που αξιοποιήθηκε. Οι πολλά υποσχόμενες ιδιότητές των δισδιάστατων υλικών αποτελούν κίνητρο για την συνεχή μελέτη τους. Η κατηγοριοποίηση τους, οι μέθοδοι κατασκευής τους και οι μέθοδοι χαρακτηρισμού τους παρουσιάζονται συνοπτικά στο δεύτερο κεφάλαιο της εργασίας. Επίσης, γίνεται αναφορά σε κάποια βασικά δισδιάστατα υλικά και στις πιθα-νές εφαρμογές τους. Συγκεκριμένα, αναφέρονται το γραφένιο, το βοριονιτρίδιο, το γραφιτικό καρβίδιο του αζώτου, δομές βασισμένες στο πυρίτιο και το γερμάνιο και δομές που προκύπτουν από τοποτακτικούς μετασχηματισμούς. Οι εφαρμογές των πα-ραπάνω υλικών, αν και σε πειραματικό ή θεωρητικό ακόμα στάδιο, καλύπτουν ένα ευρύ πεδίο που περιλαμβάνει ηλεκτρονικά, μηχανικά αλλά και βιολογικά συστήματα. Έχοντας αναπτύξει το θεωρητικό υπόβαθρο και περιγράψει τα εργαλεία με τα οποία πραγματοποιούνται οι υπολογισμοί από τις πρώτες ενότητες της εργασίας, στο τρίτο κεφάλαιο, παρουσιάζονται και σχολιάζονται τα αποτελέσματα των υπολογισμών για τα διάφορα αλλότροπα του άνθρακα. Στα συστήματα αυτά εξετάζονται βασικές ηλε-κτρονιακές ιδιότητες, όπως η πυκνότητα καταστάσεων και η μορφή των τροχιακών σθένους και αγωγιμότητας, ή και μαγνητικές ιδιότητες, όπως η πυκνότητα του σπιν. Μια βασική ομάδα δισδιάστατων υλικών που παρουσιάζουν ενδιαφέροντα χαρα-κτηριστικά είναι τα διχαλκογενίδια μετάλλων μετάπτωσης. Οι ενδιαφέρουσες ιδιότη-τες τους έγιναν η αφορμή για τη μελέτη της ευστάθειας και των ηλεκτρονιακών ιδιοτή-των μιας νέας οικογένειας υλικών που μοιάζουν με τα διχαλκογενίδια αλλά έχουν σαν χαρακτηριστικό την ύπαρξη της κυανομάδας, και ως εκ τούτου καλούνται δικυανίδια. Τα αποτελέσματα της μελέτης αυτής παρουσιάζονται στο τέταρτο κεφάλαιο. Τέλος, ένας σημαντικός παράγοντας στην έρευνα των δισδιάστατων υλικών είναι ο χαρακτηρισμός τους με διάφορες μεθόδους, όπως το μικροσκόπιο ατομικής δύναμης (AFM), το μικροσκόπιο σάρωσης σήραγγας (STM) και άλλες μέθοδοι που αναφέρο-νται στο δεύτερο κεφάλαιο. Έτσι, το τελευταίο κεφάλαιο αφιερώνεται στις προσο-μοιώσεις απεικονήσεων STM που παράγονται με το υπολογιστικό πρόγραμμα Quan-tum Espresso, τόσο για κάποιες ατέλειες στο γραφένιο, όσο και για κάποιες από τις δομές των δικυανιδίων.	el
heal.abstract	Research in two-dimensional nanomaterials is currently one of the most rapidly ex-panding fields. Following the discovery of graphene’s intriguing properties various novel materials have emerged. Despite their differences, all of them share a common feature of paramount importance; the absence of dangling bonds that could connect neighbouring sheets and destroy their 2D character. As will be described in chapter one of the thesis, the study of molecular or crystal-lic structures is conducted with the aid of algorithms and computational methods. The aim is to describe as accurately as possible the solid state physics of these structures while making the necessary assumptions to render the multi-particles problem solvable. These computational methods can provide valuable information about the properties of the examined nanomaterial, and thus classify them as suitable or unsuitable for po-tential applications. In the present thesis the so-called first-principles quantum me-chanical calculations within the Density-Functional Theory (DFT) were used to inves-tigate the main properties of graphene allotropes as well as a novel family of metal-transition di-cyanates. Therefore, in the first chapter an overview of DFT theory is presented along with a brief description of the Quantum Espresso software, which was used for its implementation. The promising properties of two-dimensional nanomaterials are a strong motivation for their continuous study. A description of the classification, formation methods and characterization techniques are briefly presented in the second charter. What is more, the structure and applications of the most prominent 2D-nanomaterials including gra-phene, boron-nitride, silicene germanene and a few others, are described. Their appli-cations cover a large range of electronic, micromechanical and biological devices. Having elaborated on the theoretical background (chapter 1) and described the tools with which the calculations are performed, in chapter 3, we present the results of carbon allotropes’ calculations. More specifically these calculations involve relaxation of the structure, calculation of density of states, energy bands structure, HOMO and LUMO states, spin-densities and the electron localization. An important representative of two-dimensional nanomaterial are the transition-metal dichalcogenides (TDMCs). These have inspired a new novel group of 2D struc-tures where the chalcogenides are being replaced by thio- or seleno-cyanate groups. These calculations are the topic of chapter 4. Finally, an important characterization technique is the scanning tunnelling micro-scope. Therefore, the last chapter is devoted to some basic STM imaging calculations on graphene defects and di-cyanate structures.	en
heal.advisorName	Τσέτσερης, Λεωνίδας	el
heal.committeeMemberName	Μαρκόπουλος, Άγγελος	el
heal.committeeMemberName	Τσουκαλάς, Δημήτριος	el
heal.academicPublisher	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Μηχανολόγων Μηχανικών	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.fullTextAvailability	true