Σύνθετες διαμορφώσεις του γραφενίου: Σταθερότητα και φυσικές ιδιότητες

Abstract

Αντικείμενο της εργασίας αυτής είναι η μελέτη της σταθερότητας και των ηλεκτρονιακών ιδιοτήτων δομών που προκύπτουν από το γραφένιο αλλάζοντας τη μορφολογία της επιφάνειάς του. Τέτοιες δομές είναι οι νανοσωλήνες άνθρακα, οι νανο-πάπυροι, τα νανο-σύρματα, το αναδιπλωμένο γραφένιο, οι νανο-μαίανδροι και σύνθετα συστήματα των δομών αυτών.

Στην πράξη οι δομές που μπορούν να προκύψουν από μέσω της ελαστικής παραμόρφωσης της αρχικά επίπεδης επιφάνειάς του. Η παραμόρφωση πραγματοποιείται αλλάζοντας την επίπεδη γεωμετρία του γραφενίου. Η φαντασία μας μπορεί να μας οδηγήσει στο να δοκιμάσουμε ένα πλήθος από δισδιάστατες γεωμετρίες στο αρχικά επίπεδο φύλλο του γραφενίου. Έτσι ένα πλήθος από διαφορετικές διαμορφώσεις προκύπτουν, οι οποίες χρειάζεται να μελετηθούν ως προς τις ιδιότητές τους.

Όπως περιγράφεται στο πρώτο μέρος της εργασίας, τα κρυσταλλικά συστήματα που προκύπτουν από την παραμόρφωση του γραφενίου, λόγω της πολυπλοκότητάς τους, μελετώνται με τη χρήση αλγορίθμων και υπολογιστικών μεθόδων. Τα αποτελέσματα των υπολογιστικών προσομοιώσεων προσδιορίζουν τις ιδιότητες των δομών αυτών και τις χαρακτηρίζουν με βάση την καταλληλότητά τους για τεχνολογικές εφαρμογές. Για την εργασία αυτή πραγματοποιήσαμε κβαντομηχανικούς υπολογισμούς από πρώτες αρχές, για την μελέτη σύνθετων δομών του άνθρακα. Η θεωρητική βάση των κβαντομηχανικών υπολογιστικών προσομοιώσεων είναι η θεωρία συναρτησιοειδούς πυκνότητας {\en DFT}, τα βασικότερα χαρακτηριστικά της οποίας αναφέρονται στην πρώτη ενότητα. Επιπλέον, στην πρώτη ενότητα περιλαμβάνεται η σύντομη περιγραφή του λογισμικού και των συστημάτων που χρησιμοποιήθηκαν για την εκτέλεση των υπολογισμών {\en DFT}. Για την εξασφάλιση της σύγκλισης των υπολογισμών, πραγματοποιούμε μελέτη σύγκλισης της ενέργειας του γραφίτη ως προς παραμέτρους του προβλήματος που απαιτούν ρύθμιση. Μια σύντομη εισαγωγή στις παράγωγες δομές του γραφενίου και μια περιγραφή των βασικότερων χαρακτηριστικών και ιδιοτήτων τους εκτυλίσσεται στην δεύτερη ενότητα. Η δεύτερη ενότητα περιλαμβάνει και κάποιες ενδιαφέρουσες εφαρμογές.

Στο δεύτερο μέρος της εργασίας παρουσιάζονται τα αποτελέσματα των υπολογιστικών προσομοιώσεων πάνω στα συστήματα νανοσωλήνων με νανο-πάπυρους, αναδιπλωμένου γραφενίου και νανο-μαιάνδρων με νανοσωλήνες. Τα συστήματα αυτά εξετάζονται ως προς τη σταθερότητα, τη συνοχή, τις μαγνητικές και ηλεκτρονικές τους ιδιότητες. Στα συστήματα νανοσωλήνα με νανοπάπυρους και νανοσωλήνα με νανο-μαίανδρους, μελετάται ο ρόλος του νανοσωλήνα στη διαδικασία αναδίπλωσης του γραφενίου και η συμβολή του στη συνοχή της δομής.

Η εργασία ολοκληρώνεται με μια σύντομη επισκόπηση των σημαντικότερων σημείων της και μια συγκεντρωτική παρουσίαση των σημαντικότερων συμπερασμάτων από τους θεωρητικούς υπολογισμούς που πραγματοποιήσαμε πάνω στις διαφορετικές διαμορφώσεις του γραφενίου.

The main purpose of this diploma thesis is to study the stability and electronic properties of graphene derived structures, implementing different morphologies. Such structures are Carbon Nanotubes (CNT), Carbon Nanoscrolls (CNS), Nanowires, Folded Graphene(FG), Nanomeanders (CNM) and complex systems composing of these structures. In fact these structures arise from graphene through elastic deformation of its flat surface. The deformation of graphene is implemented by altering its flat geometry. Our imagination can lead us to try many two dimensional geometries over the initially plane graphene. The different configurations arising from its deformation have to be studied in reference to their properties.

As described in the first part of this thesis, crystalline systems arising from graphene's deformation, due to their complexity, have to be studied using algorithms and computational methods. Simulations' results are useful in describing the properties of such systems and in characterizing them according to their suitability for technological applications. In this thesis we performed ab initio quantum mechanical calculations in order to study Carbon composite structures. The main features of Density Functional Theory (DFT) which constitutes the theoretical basis of the simulation process, are listed on the first section. What is more, the first section includes a short description of the software and system's infrastructure used in the simulation process. In order to prove the accuracy of the calculations, we carry out a convergence study of graphene binding energy on graphite structure over parameters of the problem that require adjustment. A brief description of the properties of graphene's derived structures enfolds in the second section. Moreover, the second section includes interesting applications.

DFT simulation's results over CNT-CNT, CNT-CNS, FG and CNT-CNM systems are included in the second part of this thesis. We compare these systems towards their stability, their cohesion, their magnetic and electronic properties. In CNT-CNS and CNT-CNM systems we study the nanotube's contribution in graphene's scrolling procedure and in the cohesion of these systems.

Concluding, we summarize the most important parts and conclusions arising from DFT simulations we carried out over graphene's different morphologies.