Molecular simulations of graphene-based materials for organic electronics

Κωνσταντινόπουλος, Στέφανος; Konstantinopoulos, Stefanos

dc.contributor.author	Κωνσταντινόπουλος, Στέφανος	el
dc.contributor.author	Konstantinopoulos, Stefanos	en
dc.date.accessioned	2017-10-31T11:00:12Z
dc.date.available	2017-10-31T11:00:12Z
dc.date.issued	2017-10-31
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/45879
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.7339
dc.description	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο--Μεταπτυχιακή Εργασία. Διεπιστημονικό-Διατμηματικό Πρόγραμμα Μεταπτυχιακών Σπουδών (Δ.Π.Μ.Σ.) “Μικροσυστήματα και Νανοδιατάξεις”	el
dc.rights	Αναφορά Δημιουργού 3.0 Ελλάδα	*
dc.rights.uri	http://creativecommons.org/licenses/by/3.0/gr/	*
dc.subject	Νανογραφένιο	el
dc.subject	Μοριακές Προσομοιώσεις	el
dc.subject	Περίθλαση Ακτίνων Χ	el
dc.subject	Μοριακή Μηχανική	el
dc.subject	Μοριακή Δυναμική	el
dc.subject	nanographene	en
dc.subject	XRD	el
dc.subject	Molecular Simulations	el
dc.subject	Molecular Mechanics	el
dc.subject	Molecular Dynamics	el
dc.title	Molecular simulations of graphene-based materials for organic electronics	en
dc.title	Μοριακές προσομοιώσεις υλικών με βάση το νανογρφένιο με εγαρμογή σε οργανικά ηλεκτρονικά	el
dc.contributor.department	Μικροσυστήματα και Νανοδιατάξεις	el
heal.type	masterThesis
heal.classification	Νανοτεχνολογία	el
heal.language	en
heal.access	free
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2017-07-20
heal.abstract	Οι δισκόμορφοι πολυκυκλικοί αρωματικοί υδρογονάνθρακες αποτελούν μία πολλά υποσχόμενη κατηγορία υλικών για εφαρμογές ως ενεργά μέσα σε οργανικά ηλεκτρονικά. Παρουσιάζουν ομοιότητες σε μοριακό επίπεδο με νιφάδες γραφενίου νανομετρικών διαστάσεων. Οι πολυκυκλικοί αρωματικοί υδρογονάνθρακες έχουν την ιδιότητα να αυτό-οργανώνονται σε μοριακές ίνες. Λόγω των π-π αλληλεπιδράσεων μεταξύ των τροχιακών γειτονικών αρωματικών δίσκων, τα συστήματα αυτά εμφανίζουν μονοδιάστατη αγωγιμότητα κατά μήκος της αξονικής διεύθυνσης. Η δυνατότητα να επιδέχονται ευέλικτες πλευρικές ομάδες σε διάφορα σημεία της περιφέρειάς, τους προσδίδει νέες ιδιότητες, όπως η ενεργοποίηση της υγροκρυσταλλικής συμπεριφοράς. Τρία διαφορετικά είδη πολυκυκλικών αρωματικών υδρογονανθράκων μελετήθηκαν. Το εξα-περι-εξαβενζοκορονένιο (hexa-peri hexabenzocoronene – HBC) είναι ένα δισκόμορφο μόριο εξαγωνικής συμμετρίας το οποίο αποτελείται από 42 sp2 υβριδισμένα άτομα άνθρακα τα οποία σχηματίζουν 13 βενζολικούς δακτυλίους. Το υπερφαινυλένιο (C96H24-C96) είναι ένα δισκόμορφο μόριο το οποίο παρουσιάζει τριγωνική συμμετρία και το C132H34 νανογραφένιο (C132) έχει τετραγωνική συμμετρία και δομείται από 50 δακτυλίους. Τα τελευταία δύο μόρια μπορούν να θεωρηθούν ως αποτέλεσμα σύνδεσης τριών και τεσσάρων μορίων HBC, αντίστοιχα. Στην παρούσα εργασία εξετάζονται μέσω προσομοιώσεων Μοριακής Μηχανικής και Μοριακής Δυναμικής νανογραφένια στην περιφέρεια των οποίων έχουν προσαρτηθεί αλειφατικές αλυσίδες κανονικού εξανίου, δωδεκανίου και φυτανίου και αυτοοργανώνονται σε μοριακούς κρυστάλλους. Προκειμένου να καταστεί εφικτός ο προσδιορισμός των προτιμητέων τρόπων στοίβαξης μία πληθώρα από δισκόμορφα διμερή διαφορετικής συμμετρίας εξισορροπήθηκαν στατικά μέσω προσομοιώσεων Μοριακής Μηχανικής. Με βάση τους προτιμητέους τρόπους στοίβαξης των διμερών παράχθηκαν αρχικές απεικονίσεις μοριακών ινών, οι οποίες σχηματίζουν μοριακούς κρυστάλλους. Δομικές και δυναμικές ιδιότητες μοριακών συστημάτων νανογραφενίου υπολογίστηκαν από τροχιές Μοριακής Δυναμικής σε θερμοδυναμική ισορροπία, που προέκυψαν από τη χρήση του λογισμικού προσομοιώσεων LAMMPS. Η ολοκλήρωση των εξισώσεων κίνησης και ο έλεγχος της θερμοκρασίας και της πίεσης υλοποιήθηκε με τη χρήση σύγχρονων αλγορίθμων αιχμής, σε συνδυασμό με εξελιγμένες τεχνικές υπολογισμών στον αντίστροφο χώρο για την ποσοτικοποίηση των αλληλεπιδράσεων μακράς εμβέλειας. Για την ποσοτικοποίηση των αλληλεπιδράσεων χρησιμοποιήθηκαν εδραιωμένα πεδία δυνάμεων από τη βιβλιογραφία που αναπαράγουν ικανοποιητικά τα διαθέσιμα πειραματικά δεδομένα.	el
heal.abstract	Discotic Polycyclic Aromatic Hydrocarbons (PAHs) constitute a very promising class of materials for organic electronics applications. Its members can be considered as finite graphene flakes of nanometric dimensions. PAHs tend to self-assembly into molecular wires consisting of stacked disks. One dimensional hopping conductivity is manifested along the wire axis due to π-π interactions between polyaromatic cores. Furthermore, these disk-like molecules have the ability to accept around their periphery flexible groups that readily enhance their processability and properties, resulting in liquid crystalline behavior. Hexa-peri-hexabenzocoronene (HBC) is a discotic molecule with hexagonal symmetry, consisting of 42 sp2 hybridized carbon atoms which form thirteen fused benzoic rings. Two analogous molecules with a more extended polyaromatic core are superphenalene (C96H24, C96) consisting of thirty four benzoic rings and bearing trigonal symmetry, and the C132H34 nanographene (C132) of tetragonal symmetry, made up of fifty rings. The aforementioned molecules can be regarded as the fusion product of three and four HBC molecules, respectively. In this study molecular systems grafted with hexane, dodecane and phytane side chains are examined by means of Molecular Mechanics (MM) and Molecular Dynamics (MD) simulations. A series of discotics dimers corresponding to various symmetries have been brought to static equilibration via MM simulations for the determination of preferable stacking patterns. According to minimum energy dimeric states, initial configurations of molecular crystals are created. Structural and dynamical properties are examined by analyzing MD trajectories generated using the LAMMPS MD simulation software. State-of-the art integration algorithms and temperature and pressure control techniques have been utilized, alongside with sophisticated mesh-based techniques for handling long range interactions. As far as the potential energy surface of the systems is concerned, well validated force fields have been employed, which reproduce physical properties in good agreement with experimental findings. The structure of supramolecular nanostructures of cylindrical form with core-shell characteristics is revealed utilizing principles of fiber diffraction. A methodology for the determination of theoretical X-ray Diffraction (XRD) spectra and 2-Dimensional Wide Angle X-ray Diffractograms (2D-WAXD) is presented. Complete structural characterization is carried out for soluble discotic systems focusing on the distance between aromatic cores, arrangement of molecular wires, and distribution of attached aliphatic side chains. XRD and 2D-WAXD patterns arising from equilibrated MD trajectories can be directly compared with available experimental data.	en
heal.advisorName	Θεοδώρου, Θεόδωρος	el
heal.committeeMemberName	Τσέτσερης, Λεωνίδας	el
heal.committeeMemberName	Χαριτίσης, Κωνσταντίνος	el
heal.academicPublisher	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Εφαρμοσμένων Μαθηματικών και Φυσικών Επιστημών	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	62 σ.	en
heal.fullTextAvailability	true