Υπολογιστική μελέτη του γραφενίου από πρώτες αρχές

Abstract

Η νανοτεχνολογία χαρακτηρίζεται ως η επιστήμη του μέλλοντος. Είναι μια νέα προσέγγιση για την κατανόηση και την άρτια γνώση των ιδιοτήτων της ύλης σε νανοκλίμακα. Στο επίπεδο αυτό αποκαλύπτονται διαφορετικές και συχνά καταπληκτικές ιδιότητες της ύλης. Είναι συχνές οι αναφορές στο «ρηξικέλευθο» ή «επαναστατικό» δυναμικό της νανοτεχνολογίας, δηλαδή στις δυνατότητες να έχει επιπτώσεις στις μεθόδους βιομηχανικής παραγωγής. Τα μικρότερα, ελαφρύτερα, ταχύτερα και αποδοτικότερα υλικά, κατασκευαστικά στοιχεία και συστήματα που προσφέρει η νανοτεχνολογία είναι δυνατόν να δώσουν λύσεις σε πολλά τρέχοντα προβλήματα. Ανοίγονται έτσι νέες ευκαιρίες για δημιουργία πλούτου και απασχόλησης. Εξάλλου, αναμένεται ότι η νανοτεχνολογία θα συμβάλει σημαντικά στην αντιμετώπιση παγκόσμιων και περιβαλλοντικών προκλήσεων, επειδή θα καταστήσει δυνατή την υλοποίηση προϊόντων και διαδικασιών προσαρμοσμένων σε συγκεκριμένες χρήσεις, την εξοικονόμηση πόρων και τη μείωση των αποβλήτων και των εκπομπών ρύπων. Στην παρούσα εργασία μελετάται το γραφένιο (graphene), ένα ταχύτατα ανερχόμενο αστέρι στον ορίζοντα των νανοϋλικών. Αυτό το αυστηρά δισδιάστατο υλικό έχει ήδη διευρύνει τους ορίζοντες της νέας φυσικής και των εφαρμογών της. Συγκεκριμένα, παρακάτω θα μελετηθεί με υπολογισμούς από πρώτες αρχές η αντίδραση νανολωρίδων γραφενίου με το υδρογόνο και η μετατροπή του σε υδρογονοποιημένο γραφένιο (graphane). Αρχικά εξετάζεται αν η αντίδραση είναι εξώθερμη. Έπειτα ελέγχουμε και βρίσκουμε την πιο σταθερή διάταξη. Μελετάται η ενδεχόμενη μεταβολή του ενεργειακού χάσματος κατά την υδρογονοποίηση και τι συνεπάγεται αυτό στις ηλεκτρονικές ιδιότητες του υλικού. Επιπλέον υπολογισμοί πραγματοποιούνται για την επίδραση στις ηλεκτρονικές ιδιότητες της νανολωρίδας λόγω μηχανικής παραμόρφωσης. Τέλος, διερευνήσαμε τη μαγνήτιση του υλικού, με άλλα λόγια εξετάζονται οι μαγνητικές ιδιότητες των νανολωρίδων.

Nanotechnology is described as the science of the future. It is a new approach to understanding the properties of matter at the nanoscale. At this level different and often amazing properties of matter are revealed. There are many references to revolutionary potentional of nanotechnology which can provide smaller, lighter, faster and more efficient materials. These materials and those systems of nanotechnology can solve many problems of nowadays and open new opportunities for wealth creation and employment. Moreover, it is expected that nanotechnology will significantly contribute in addressing global environmental challenges, by making possible the implementation of products and processes tailored to specific uses, saving resources and reducing waste and emissions. In this paper we study graphene, a rapidly rising star on the horizon of nanomaterials. This strictly two-dimensional material has been expanding the horizons of new physics and its applications. Specifically, we study here, with ab initio calculations, the reaction of nanoribbon graphene with hydrogen and its conversion to graphane. At the beggining, we examine whether the reaction is exothermic. Then, we find the most stable configuration. We study the possible change of the energy gap in the reaction of nanoribbon graphene with hydrogen and the implications of electronic properties. Additional calculations are performed for the effect on the electronic properties of nanoribbon, due to mechanical deformation. Finally, we investigate the magnetization of the material, in other words, we examine the magnetic properties of nanoribbon.