بررسی پایداری و خواص اپتیکی نانو ورقه های گرافین گونه اکسید روی
چکیده
در این تحقیق بررسی از ویژگی های ساختاری، الکترونی و اپتیکی نانو ورقه های دو بعدی گرافین مانند اکسیدروی آلاییده شده با اتم ناخالصی بور با استفاده از بسته محاسباتی پتانسیل کامل fhi-aimsدر چارچوب نظریه تابعی چگالی انجام شده است. اکسیدروی یک کاندید اصلی برای کاربرد در دستگاه های اپتیکی مانند سلول های خورشیدی و دستگاه های لیزر حالت جامد و ... است. بنابراین آگاهی درباره خواص اپتیکی آن، در طراحی و آنالیز دستگاه های اپتوالکترونیکی بر اساس آن مهم است. تاکنون مطالعه ای روی خواص اپتیکی نانو ورقه های اکسیدروی آلاییده شده با اتم ناخالصی بور صورت نگرفته است. دراین مطالعه به منظور بررسی تأثیر اتم ناخالصی بور روی نانو ورقه های اکسیدروی، ابتدا یکی و سپس دو تا از اتم های اکسیژن ابرسلول را با اتم بور جایگزین کردیم. از کمینه سازی نیروها برای پایدارکردن ساختارها استفاده کردیم و محاسبات واهلش انجام شد تا وقتی که نیروی کل وارد بر اتم ها، به میزان کمتر از0.01ev/? کاهش یافت. به کمک محاسبات قطبش اسپینی برای تمامی نانو ورقه ها، خواص الکترونی از جمله ساختار نواری و چگالی حالت ها(کلی و جزئی) را در پیکربندی های مختلف به دست آوردیم. نتایج محاسبات حاکی از آن است که حالت پایه نانو ورقه اکسیدروی خالص، نیمرسانای غیرمغناطیسی است و در نانو ورقه آلاییده با یک اتم ناخالصی بور خاصیت نیمه فلزی فرومغناطیس ایجاد شد که پتانسیل کاربردی در صنعت اسپینترونیک دارد. قرارگرفتن اتم ناخالصی بور در فواصل مختلف روی نانو ورقه، تغییراتی در ساختار الکترونی نانو ورقه های آلاییده بوجود آورد، به گونه ای که در مقایسه با نانو ورقه خالص گاف نانو ورقه های آلاییده کاهش یافت. با افزایش فاصله ی بین اتم های ناخالصی در فاصله بهینه شده11.394? بین اتم های ناخالصی، مقدار گاف صفر شد و خاصیت فلزی در این نانو ورقه اسپین قطبیده فرومغناطیس ظاهر شد. بررسی چگالی حالت های جزئی نشان می دهد اوربیتال p اتم ناخالصی بور مسئول اصلی ایجاد خاصیت مغناطیسی در این نانو ورقه هاست. در تمامی محاسبات مربوط به خواص اپتیکی نانو ورقه ها در حضور اتم ناخالصی بور، رفتار مولفه های مهم اپتیکی نظیر قسمت موهومی تابع دی الکتریک و طیف ضریب جذب بررسی شده است، در انتها نتایج آنها با یکدیگر مقایسه شده اند. نتایج به دست آمده حاکی از آن است به علت تغییر ساختار نواری در اثر حضور ناخالصی، پاسخ نوری نانو ورقه¬های آلاییده نیز دستخوش تغییراتی شده اند. از طریق آنالیز ساختارهای اصلی طیف ها، این نتیجه حاصل شد در نانو ورقه های آلاییده با دو اتم ناخالصی بور تغییر ویژگی های اپتیکی به فاصله بین دو اتم ناخالصی بستگی دارد و در نواحی انرژی پایین (مرئی و فروسرخ) تغییرات مهمی را نشان می دهند. به طور کلی در نواحی انرژی پایین در مقایسه با نانو ورقه خالص، در اکثر طیف های اپتیکی مربوط به نانو ورقه های آلاییده، جابه جایی قرمز ناشی از تغییر گاف ظاهر شد. پیک های ظاهر شده در نواحی انرژی پایین مربوط به سهم قابل توجه انتقال های درون نواری الکترون های حالت p از اتم ناخالصی بور می باشند. به علت اینکه سلول های خورشیدی بایستی در نواحی انرژی پایین جذب بالایی داشته باشند و با توجه به نتایج به دست آمده در راستای این تحقیق، به منظور بهبود پاسخ نوری نانو ورقه های اکسیدروی و رساندن لبه ی جذب اپتیکی به نواحی انرژی پایین، آلایش اتم های ناخالصی بور روی این نانو ورقه ها، نقش موثری در دست یابی به این هدف دارند و از این نانو ورقه های آلاییده، می توان به عنوان لایه جاذب در سلول های خورشیدی استفاده کرد. خلاصه، مطالعات ما نشان می دهند در تنظیم خواص اپتیکی و الکترونی نانو ورقه های اکسیدروی آلاییده شده با اتم ناخالصی بور می توان تصرف داشت به گونه ای که برای کاربرد در اپتوالکترونیک و اسپینترونیک نانومقیاس مناسب باشند. امید است نتایج محاسبات ما بتوانند به عنوان یک مرجع برای مطالعات آینده به کار روند.