28497

مطالعه و بررسي ترابرد بار در نانو نوارهاي مكسين خانواده M_2 XT_2

كارشناسي ارشد

فيزيك - فيزيك ماده چگال

1399

1402/3/30

مهدي اسماعيل زاده هنجني

حسين نيكوفرد

فيزيك

مكسينهاي خانواده نسبتاً جديد مواد هستند كه پس از سنتز اولين تركيب آن‌ها از فازهاي مكس كاربيد ها و نيتريد هاي فلزهاي انتقالي تا به امروز موردتوجه بسياري از پژوهشگران قرارگرفته‌اند. اين مواد داري پايداري شيميايي و فيزيكي مناسبي مي‌باشند. همچنين سنتز نسبتاً آسان‌ آن‌ها يكي ديگر از نقاط مثبت در ايجاد توجه بيشتر نسبت به اين خانواده است. اين خانواده شامل سه نوع مختلف از تركيب‌ها هستند كه نازك‌ترين آن‌ها داراي فرمول شيميايي M_2 XT_2 مي‌باشند. در اين فرمول M يك فلز واسطه از گروه¬هاي 3 تا 6 جدول تناوبي، X يكي از عناصر كربن يا نيتروژن و T نشان‌دهنده يكي از عناصر اكسيژن يا فلوئور يا OH است. تا به امروز كاربردهاي بسيار زيادي از اين تركيب‌ها درزمينه هاي مختلف ازجمله كاتاليز، استفاده در باتري‌هاي ليتيومي و بسياري از كاربردهاي ديگر شده است. بررسي خانواده M_2 XT_2 كه شامل 72 ساختار مختلف است نشان‌دهنده وجود خواص نيم‌رسانايي، فلزي، نيم فلزي و عايق توپولوژيكي در آن‌ها است. پژوهش‌هاي قبلي درزمينه اين مواد و به‌خصوص تركيب‌هاي داراي خاصيت نيم‌رسانايي كه با روش‌هاي نظريه تابعي چگالي انجام‌شده است به بررسي ويژگي‌هاي الكتروني و اپتيكي اين مواد پرداخته‌اند اما بررسي دقيق‌تر رفتار ترابرد الكتروني اين مواد تا به امروز انجام‌نشده است. در اين پايان‌نامه، براي نخستين بار، به بررسي ترابرد الكتروني در نانونوارهاي مكسين نيم‌رسانا خانواده M_2 XT_2پرداخته‌شده است. در اينجا با استفاده روابط اسليتر-كاستر براي اوربيتال‌هاي p اتم X و اوربيتال‌هاي d اتم‌هاي M هاميلتوني تنگ‌بست نوشته‌شده و ساختار نواري آن‌ها رسم شده است. سپس با استفاده از روش تابع گرين غير تعادلي و رابطه لاندائر-بوتيكر خواص رسانش ماده 〖Zr〗_2 CO_2 به‌عنوان يك نمونه از اين خانواده بررسي‌شده است. در اين پژوهش، با تغيير عرض نانونوارها كاهش گاف انرژي در سيستم مشاهده‌شده است.با توجه به نمودارها، افزايش عرض نوار مي‌تواند تا مقدار مشخصي گاف نواري را كاهش دهد اما به‌تنهايي قادر به ايجاد رسانندگي در اين تركيب نخواهد بود. همچنين ايجاد تهي جايگاه‌هاي مختلف اتم‌هاي كربن و زيركونيوم باعث ايجاد تغييرات قابل‌ملاحظه در اندازه رسانندگي و همچنين گاف نواري در سيستم شده است. نتايج نشان مي‌دهند كه وجود تهي جايگاه‌هاي مختلف اتم كربن باعث كاهش گاف نواري و همچنين كاهش اندازه رسانندگي مي‌شود. همچنين، تهي جايگاه اتم زيركونيوم در لبه‌ها باعث كاهش گاف نواري شده و همچنين اندازه رسانش را كاهش مي‌دهد. اما تهي جايگاه مربوط به اتم زيركونيوم-پايين باعث افزايش قابل‌ملاحظه گاف مي‌شود. اين تغييرات در گاف نواري نشان‌دهنده قابليت مهندسي در گاف اين تركيب‌ها براي استفاده در ادوات نانو الكتروني است.

1402/04/05

Investigation of Electronic Transport Properties of M_2 XT_2 Family MXenes Nanoribbons

6/19/2024 12:00:00 AM

Abstract: MXenes are relatively new family of 2D materials that have received a lot of attention from researchers since the synthesis of their first compounds from MAX phases of transition metal carbides and nitrides. These materials exhibit suitable chemical and physical stability. Additionally, their relatively easy synthesis is another positive aspect that leads to more attention to this family. This family includes three different types of compounds, with the thinnest of them having the chemical formula M_2 XT_2. In this formula, M represents an intermediate metal from groups 3 to 6 of the periodic table, X is either carbon or nitrogen, and T represents one of the elements oxygen, fluorine, or OH. Until now, these compounds have found numerous applications in various fields, including catalysis, use in lithium batteries, and many other applications. The investigation of the M_2 XT_2 family, which includes 72 different structures, indicates the existence of semiconductor, metallic, semi-metallicand also topological insulator behaviors. Previous studies on these materials, especially those with semiconducting properties, have focused on the examination of their electronic and optical properties using density functional theory methods, but a detailed study of the electron transport behavior of these materials has not been conducted so far. In this thesis, for the first time, the electronic transport in MXene nanoribbons has been investigated. Here, by using Slater-Koster relations for p orbitals of X atoms and d orbitals of M atoms, a tight-binding Hamiltonian is written, and their band structures are plotted. Then, using the non-equilibrium Green's function method and the Landauer-Buttiker formula, the conductivity properties of the material 〖Zr〗_2 CO_2, as a representative of this family, has been studied. In this research, it has been observed that by changing the width of the nanoribbon, the energy gap in the system decreases. According to the graphs, increasing the width of the band can reduce the band gap to a certain extent, but alone it will not be able to create conductivity in this compound. Moreover, the creation of various atomic vacancies of carbon and zirconium atoms leads to significant changes in the conductivity magnitude as well as the band gap in the system. The results show that the presence of various carbon vacancies reduces the band gap and also decreases the conductivity magnitude. Additionally, the vacancies of zirconium atoms at the edges reduce the band gap and also decrease the conductivity. However, the vacancy related to the zirconium atom at the bottom of structure, increases the band gap noticeably. These changes in the band gap indicate the potential for engineering the gap of these compounds for use in nanoelectronic devices.

مكسين - ترابرد الكتروني – نانونوار - ضرايب اسليتر-كاستر – تابع گرين غير تعادلي

MXenes - electronic transport – nanoribbons - Slater-Koster coefficients - non-equilibrium Green's function

Akbar Niazi

Mahdi Esmaeilzadeh