Modelování nanomateriálů: most mezi chemií a fyziko

Modelování nanomateriálů: most mezi chemií a fyziko

2. Letní škola
letní
Nanosystémy Bio-Eko-Tech
Malenovice, 16. – 18. 9. 2010
Modelování nanomateriálů:
most mezi chemií a fyzikou
František Karlický
Katedra fyzikální chemie
Regionální centrum pokročilých technologií a materiálů
Univerzita Palackého v Olomouci
Osnova


Obecná část

Pevné látky, materiály, krystaly …

Modely a metody popisu materiálů

Fyzikální a chemické vlastnosti materiálů
Praktická část (příklady)

Krystal argonu

Grafan a jeho modifikace

Řízení šířky zakázaného pásu grafenu
Pevné látky, materiály, krystaly …





Fyzika pevných látek, kvantová mechanika,
materiálová chemie, nanotechnologie
Krystalová struktura, ideální krystal
Mřížka, translační vektory, r’ = r + xa1 + ya2 + za3
Primitivní buňka, operace symetrie, bodové grupy
Bravaisova mřížka
Mřížky

Bravaisova mřížka 2D, 3D

Millerovy indexy
Mřížky, zóny, symetrie …


Reciproký prostor: r, (a1,a2,a3)  k, (b1,b2,b3)
Brillouinova zóna – primitivní buňka reciprokého
prostoru
FCC

Převod funkcí – Fourierova transformace

Význačné body zóny, symetrie
Modely a metody popisu materiálů


Konečný a nekonečný model (periodické okrajové
podmínky)
Krystalová vazba





krystaly vzácných plynů
iontové krystaly
kovalentní krystaly
kovové krystaly
krystaly s vodíkovou vazbou
Úrovně modelování materiálů


Koncept iontových poloměrů
Simulace force-field





MD
MC
Model téměř volných elektronů
Tight-binding
Ab-initio metody


DTF metody – materiálové vědy
Hartree-Fock a post-HF – kvantová chemie
Úrovně modelování materiálů

Challenges in Modeling Materials Properties Without Experimental Input, Science 2008, 321, 800
Implementace - software

Tight-binding


DFT: Lokalizované orbitaly



komerční: Gaussian (GAO), ADF (STO)
GNU: Siesta (NAO)
DFT: Rovinné vlny



GNU: DFTB+
komerční: VASP, CASTEP
GNU: ABINIT, Dacapo, Quantum ESPRESSO
QMC

GNU: CASINO
Fyzikální a chemické vlastnosti
materiálů

geometrická struktura a energetika –
optimalizace, hledání stacionárních bodů na
nadploše potenciální energie
Př. Konjugované gradienty
Fyzikální a chemické vlastnosti
materiálů

elektrické a optické vlastnosti – elektronická
pásová struktura
Fyzikální a chemické vlastnosti
materiálů

elektrické a optické vlastnosti – hustota
stavů (density of states, DOS)
Graphane: A two-dimensional hydrocarbon, Phys. Rev. B 2007, 75, 153401
Fyzikální a chemické vlastnosti
materiálů

elektrické a optické vlastnosti – vodivost,
elektrický odpor
Analýza r(T), modely, porovnání šířky zakázaného pásu
Electron properties of fluorinated single-layer graphene transistors, Phys. Rev. B 2010, 82, 073403
Fyzikální a chemické vlastnosti
materiálů

interakce molekula-nanomateriál

fyzisorpce, chemisorpce

reaktivita (aktivační energie,
rychlostní konstanty)
Reaction Mechanisms for Graphene and Carbon Nanotube Fluorination, J. Phys. Chem. C 2010, 114, 3340
Fyzikální a chemické vlastnosti
materiálů

termodynamika (z křivky energie – objem)
GIBBS: isothermal-isobaric thermodynamics of solids from energy curves using a quasi-harmonic Debye model, Comp. Phys. Commun.
2004, 158, 57
Structural, electronic,elastic and thermal properties of Mg2Si, J. Phys. Chem. Sol. 2010, 71, 758
Modelování krystalu argonu

Krystaly argonu při T = 0 K a p =
0 Pa (srovnání s experimentem)

struktura ("paradox krystalové struktury")

vazebná energie
Etot = Etot(d)
HCP:
Etot = EZPE + E2 + E3 + …

FCC:
mřížková konstanta
mřížka
potenciál
Etot[J/mol]
FCC
u2 Aziz 1993, u3 tato práce
-7703,2
HCP
u2 Aziz 1993, u3 tato práce
-7703,8
FCC, experiment Horton 1968
-7734 ± 42
FCC, experiment Schwalbe et al. 1977
-7722 ± 11
FCC, experiment Tessier et al. 1982
-7731 ± 13
Modelování grafanu a jeho modifikací
Graphane: A two-dimensional hydrocarbon, Phys. Rev. B 2007, 75, 153401
Accurate electronic band gap of pure and functionalized graphane from GW calculations, Phys. Rev. B 2009, 79, 245117
Control of Graphene’s Propertiesby Reversible Hydrogenation:Evidence for Graphane, Science 2009, 323, 610
Modelování grafanu a jeho modifikací
Stabilita: C2H2 + X2 + DE  C2X2 + H2, X = H, F, Cl, Br
d(X-C)
d(C-C)
d(X-X)
DE
Eg
Egmax
CH
1.115
1.562
2.579
0
5.50
12.64
CF
1.445
1.594
2.639
-228
3.08
9.96
CCl
1.867
1.794
2.985
332
0.95
6.79
CBr
2.028
1.937
3.244
547
0.01
5.72
Tloušťka vrstvy CF 0.62 nm, exp. 0.67-0.87 nm
Naše laboratoř
Naše laboratoř
Řízení šířky zakázaného pásu grafenu




Grafen (jedna vrstva grafitu) – jeden z nejslibnějších
kandidátů pro další generaci elektronických materiálů
Vysoká mobilita nosičů náboje v něm
Elektronická struktura grafenu s nulovou šířkou zakázaného
pásu je nevýhodná – právě nenulová šířka zakázaného pásu
definuje polovodičové materiály a je důležitá pro kontrolu
vodivosti
Jedna cesta k "otevření" zakázaného pásu je chemická
modifikace materiálu
Řízení šířky zakázaného pásu grafenu

Dopování, vliv vnějšího pole …
Tuning Electronic Properties of Hydro-Boron-Carbon Compounds by Hydrogen and Boron Contents, J. Phys.
Chem. C 2009, 113, 18468
Band Gap Opening of Bilayer Graphene by F4-TCNQ Molecular Doping and Externally Applied Electric Field, J.
Phys. Chem. B 2010, 114, 11377–11381
Řízení šířky zakázaného pásu

Grafan: Nanocesty a kvantové tečky…
Electronics and Magnetism of Patterned Graphene Nanoroads, Nano Lett. 2009, 9, 1540
The ultimate diamond slab: GraphAne versus graphEne, Diamond Relat. Mater. 2010, 19, 368
Vacancy Clusters in Graphane as Quantum Dots, ACS Nano 2010, 4, 3510
Řízení šířky zakázaného pásu
Bandgap opening in graphene induced by patterned hydrogen adsorption, Nature Mater. 2010, 9, 315
Řízení šířky zakázaného pásu
Naše laboratoř
Poděkování:
Michal Otyepka
Radek Zbořil
Bruno Lepetit
Laboratoř výpočetní chemie KFC UPOL
Děkuji za pozornost