Modelování nanomateriálů: most mezi chemií a fyzikou

Rozměr: px

Začít zobrazení ze stránky:

Download "Modelování nanomateriálů: most mezi chemií a fyzikou"

Klára Krausová
před 5 lety
Počet zobrazení:

2. Letní škola letní Nanosystémy Bio-Eko-Tech Malenovice, 16. 18.

František Karlický Katedra fyzikální chemie Regionální centrum

1 2. Letní škola letní Nanosystémy Bio-Eko-Tech Malenovice, Modelování nanomateriálů: most mezi chemií a fyzikou František Karlický Katedra fyzikální chemie Regionální centrum pokročilých technologií a materiálů Univerzita Palackého v Olomouci

2 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

struktura, ideální krystal Mřížka, translační vektory, r = r + xa 1

3 Pevné látky, materiály, krystaly Fyzika pevných látek, kvantová mechanika, materiálová chemie, nanotechnologie Krystalová struktura, ideální krystal Mřížka, translační vektory, r = r + xa 1 + ya 2 + za 3 Primitivní buňka, operace symetrie, bodové grupy Bravaisova mřížka

4 Mřížky Bravaisova mřížka 2D, 3D Millerovy indexy

5 Mřížky, zóny, symetrie Reciproký prostor: r, (a 1,a 2, a 3 ) k, (b 1,b 2, b 3 ) Brillouinova zóna primitivní buňka reciprokého prostoru Převod funkcí Fourierova transformace Význačné body zóny, symetrie FCC

6 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

7 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

8 Úrovně modelování materiálů Challenges in Modeling Materials Properties Without Experimental Input, Science 2008, 321, 800

9 Implementace - software Tight-binding GNU: DFTB+ DFT: Lokalizované orbitaly komerční: Gaussian (GAO), ADF (STO) GNU: Siesta (NAO) DFT: Rovinné vlny komerční: VASP, CASTEP GNU: ABINIT, Dacapo, Quantum ESPRESSO QMC GNU: CASINO

10 Fyzikální a chemické vlastnosti materiálů geometrická struktura a energetika optimalizace, hledání stacionárních bodů na nadploše potenciální energie Př. Konjugované gradienty

11 Fyzikální a chemické vlastnosti materiálů elektrické a optické vlastnosti elektronická pásová struktura

12 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,

13 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,

14 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

15 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 Mg 2 Si, J. Phys. Chem. Sol. 2010, 71, 758

mřížka potenciál E tot [J/mol] FCC u 2 Aziz 1993, u 3 tato práce -7703,2 HCP u 2 Aziz 1993, u 3 tato práce -7703,8

16 Modelování krystalu argonu Krystaly argonu při T = 0 K a p = 0 Pa (srovnání s experimentem) struktura ("paradox krystalové struktury") vazebná energie E tot = E tot (d) E tot = E ZPE + E 2 + E 3 + mřížková konstanta FCC: HCP: mřížka potenciál E tot [J/mol] FCC u 2 Aziz 1993, u 3 tato práce -7703,2 HCP u 2 Aziz 1993, u 3 tato práce -7703,8 FCC, experiment Horton ± 42 FCC, experiment Schwalbe et al ± 11 FCC, experiment Tessier et al ± 13

Modelování grafanu a jeho modifikací Graphane: A

B 2007, 75, 153401 Accurate electronic band gap of

17 Modelování grafanu a jeho modifikací Graphane: A two-dimensional hydrocarbon, Phys. Rev. B 2007, 75, Accurate electronic band gap of pure and functionalized graphane from GW calculations, Phys. Rev. B 2009, 79, Control of Graphene s Propertiesby Reversible Hydrogenation:Evidence for Graphane, Science 2009, 323, 610

Modelování grafanu a jeho modifikací Stabilita: C 2 H 2 +

579 0 5.50 12.64 CF 1.445 1.594 2.639-228 3.08 9.96 CCl 1.

18 Modelování grafanu a jeho modifikací Stabilita: C 2 H 2 + X 2 + DE C 2 X 2 + H 2, X = H, F, Cl, Br Tloušťka vrstvy CF 0.62 nm, exp nm d(x-c) d(c-c) d(x-x) DE E g E gmax CH CF CCl CBr 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

19 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

Chem. C 2009, 113, 18468 Band Gap Opening of Bilayer Graphene by F4-TCNQ Molecular

20 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, Band Gap Opening of Bilayer Graphene by F4-TCNQ Molecular Doping and Externally Applied Electric Field, J. Phys. Chem. B 2010, 114,

Řízení šířky zakázaného pásu Grafan: Nanocesty a

21 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

22 Řízení šířky zakázaného pásu Bandgap opening in graphene induced by patterned hydrogen adsorption, Nature Mater. 2010, 9, 315

23 Naše laboratoř Řízení šířky zakázaného pásu

24 Poděkování: Michal Otyepka Radek Zbořil Bruno Lepetit Laboratoř výpočetní chemie KFC UPOL

25 Děkuji za pozornost

Podobné dokumenty

Fyzika IV. -ezv -e(z-zv) kov: valenční elektrony vodivostní elektrony. Elektronová struktura pevných látek model volných elektronů

Fyzika IV. -ezv -e(z-zv) kov: valenční elektrony vodivostní elektrony. Elektronová struktura pevných látek model volných elektronů Elektronová struktura pevných látek model volných elektronů 1897: J.J. Thomson - elektron jako částice 1900: P. Drude: kinetická teorie plynů - kov jako plyn elektronů Drudeho model elektrony se mezi srážkami