مدل سازی نظری، شبیه سازی محاسباتی و خواص الکترونی گرافن آلاییده شده با عناصر گروه III

فروزانی, قاسم; هرمزی نژاد, دستان

doi:10.30473/jphys.2025.73468.1231

نوع مقاله : پژوهشی

نویسندگان

¹ پیام نور شیراز

² گروه فیزیک دانشگاه پیام نور، صندوق پستی 19395-3697 ، تهران، ایران.

https://doi.org/10.30473/jphys.2025.73468.1231

چکیده

گرافن با ویژگی‌های استثنایی خود، ماده‌ای پیشرو در فناوری‌های مدرن محسوب می‌شود. با این حال، صفر بودن گاف انرژی در ساختار الکترونی آن، استفاده از گرافن را در کاربردهای پیشرفته مانند اپتوالکترونیک و محاسبات کوانتومی محدود می‌کند. این تحقیق اثر آلایش گرافن با عناصر گروه Ш (بور، آلومینیوم، گالیم و ایندیم) را برای بهبود خواص آن بررسی می‌کند. با استفاده از نظریه تابعی چگالی (DFT) و تقریب چگالی موضعی (LDA) در نرم‌افزار Quantum Espresso و ابزارهای BURAI و YAMBO، خواص ساختاری و الکترونی تحلیل شدند. آلایش متوسط بور (~68/16%) منجر به ایجاد گاف انرژی 6/0 تا 8/0 الکترون‌ولت شد، در حالی که آلایش زیاد گالیم (50%) گافی حدود ~2 الکترون‌ولت ایجاد کرد که موجب بهبود جذب نور مرئی شد. آلایش آلومینیوم و ایندیم باعث بهبود خواص اپتوالکترونیکی شد و ایندیم چگالی حالات نزدیک به سطح فرمی و جذب مادون قرمز را افزایش داد. شبیه‌سازی دینامیک مولکولی تأیید کرد که آلایش، پایداری ساختاری گرافن و عملکرد آن را حفظ می‌کند. این پژوهش پتانسیل آلایش دقیق برای بهینه‌سازی گرافن در حسگرهای نوری، دستگاه‌های اپتوالکترونیکی و فناوری‌های کوانتومی را برجسته می‌کند.

کلیدواژه‌ها

مراجع

[1] Lee, C. , Wei, X. , Kysar, J. W. , & Hone, J. (2008). Measurement of the elastic properties and intrinsic strength of monolayer graphene. Science, 321(5887), 385–388. https://doi. org/10. 1126/science. 1157996

[2] Kostarelos, K. , & Novoselov, K. S. (2014). Exploring the interface of graphene and biology. Science, 344(6181), 261–263. https://doi. org/10. 1126/science. 1246736

[3] Wakabayashi, K. , Sasaki, K. , Akanishi, T. , & Enoki, T. (2010). Electronic states of graphene nanoribbons and analytical solutions. Physical Review B, 81 (12), 125310.

[4] Kumar, S. , Himanshi, H. , Prakash, J. , Verma, A. , Suman, S. , Jasrotia, R. , Kandwal, A. , Verma, R. , Godara, S. K. , Khan, M. A. M. , Alshehri, S. M. , & Ahmed, J. (2023). A review on properties and environmental applications of graphene and its derivative-based composites. Catalysts, 13(1), 111. https://doi. org/10. 3390/catal13010111

[5] Ter Minassian-Saraga, L. (1994). Thin films including layers: Terminology in relation to their preparation and characterization (IUPAC Recommendations 1994) [PDF]. Pure and Applied Chemistry, 66(8), 1667–1738. https://doi. org/10. 1351/pac199466081667

[6] Allen, M. J. , Tung, V. C. , & Kaner, R. B. (2010). Honeycomb carbon: A review of graphene. Chemical Reviews, 110(1), 132–145. https://doi. org/10. 1021/cr900070d

[7] Bernevig, B. A. , Hughes, T. L. , & Zhang, S. -C. (2017). Topological states of condensed matter. Nature Materials, 16(11), 1105–1111. https://doi. org/10. 1038/nmat5012

[8] Varghese, S. S. , Swaminathan, S. , Singh, K. K. , & Mittal, V. (2016). Energetic stabilities, structural and electronic properties of monolayer graphene doped with boron and nitrogen atoms. Electronics, 5(4), 91. https://doi. org/10. 3390/electronics5040091

[9] Geim, A. K. , & Novoselov, K. S. (2007). The rise of graphene. Nature Materials, 6(3), 183–191. https://doi. org/10. 1038/nmat1849

[10] Castro Neto, A. H. , Guinea, F. , Peres, N. M. R. , Novoselov, K. S. , & Geim, A. K. (2009). The electronic properties of graphene. Reviews of Modern Physics, 81(1), 109–162. https://doi. org/10. 1103/RevModPhys. 81. 109

[11] Kumar, A. , Kumar, A. , & Kar, K. K. (2021). Estimation of number of graphene layers using different methods: A focused review. Materials, 14(16), 4590. https://doi. org/10. 3390/ma14164590

[12] Bakhsh, S. (2023). Fullerene, Carbon Nanotubes, and Graphene: A comprehensive review. Karbala International Journal of Modern Science, 9(3), 1–15. https://doi. org/10. 34190/10. 371996564

[13] Varghese, S. S. , Swaminathan, S. , Singh, K. K. , & Mittal, V. (2016). Energetic stabilities, structural and electronic properties of monolayer graphene doped with boron and nitrogen atoms. Electronics, 5(4), 91. https://doi. org/10. 3390/electronics5040091

[14] Allen, M. J. , Tung, V. C. , & Kaner, R. B. (2010). Honeycomb carbon: A review of graphene. Chemical Reviews, 110(1), 132–145. https://doi. org/10. 1021/cr900070d

[15] Yan, B. , & Felser, C. (2017). Topological semimetals. Annual Review of Condensed Matter Physics, 8(1), 337–354. https://doi. org/10. 1146/annurev-conmatphys-031016-025458

[16] Wehling, T. O. , Black-Schaffer, A. M. , & Balatsky, A. V. (2014). Dirac materials. Advances in Physics, 63(1), 1–76. https://doi. org/10. 1080/00018732. 2014. 927109

[17] Varghese, S. S. , Swaminathan, S. , Singh, K. K. , & Mittal, V. (2016). Energetic stabilities, structural and electronic properties of monolayer graphene doped with boron and nitrogen atoms. Materials, 9(12), 1011. https://doi. org/10. 3390/ma9121011

[18] Qian, Y. , Kan, E. , Deng, K. , & Wu, H. (2020). Moderate bandgap and high carrier mobility simultaneously realized in bilayer silicene by oxidation. Europhysics Letters, 131(3), 37002. https://doi. org/10. 1209/0295-5075/131/37002

[19] Song, S. H. , Kim, Y. D. , He, D. , Zhou, J. , Castellanos-Gomez, A. , Peeters, F. M. , Liu, Z. , Hinkle, C. L. , Oh, S. H. , Ye, P. D. , Koester, S. J. , Lee, Y. H. , Avouris, P. , Wang, X. , & Low, T. (2020). Bandgap engineering of two-dimensional semiconductor materials. npj 2D Materials and Applications, 4, Article 29. https://doi. org/10. 1038/s41699-020-00168-4

[20] Sangalli, D. , Ferretti, A. , Miranda, H. , Attaccalite, C. , Marri, I. , Cannuccia, E. , Melo, P. , Marsili, M. , Paleari, F. , Marrazzo, A. , Prandini, G. , Bonfà, P. , Atambo, M. O. , Affinito, F. , Palummo, M. , Molina-Sánchez, A. , Hogan, C. , Grüning, M. , Varsano, D. , & Marini, A. (2019). Many-body perturbation theory calculations using the yambo code. Journal of Physics: Condensed Matter, 31(32), 325902. https://doi. org/10. 1088/1361-648X/ab15d0

[21] Zhang, Y. , Fu, Y. , Mao, Q. , Zhang, G. , Zhang, W. , Wang, Y. , & Yang, W. (2022). First-principle calculation of electronic structure and optical properties of (P, Ga, P–Ga) doped graphene. Open Physics, 20(1), 529–538. https://doi. org/10. 1515/phys-2022-0061

[22] Chen, Z. , Li, W. , Li, R. , Zhang, Y. , Xu, G. , & Cheng, H. (2023). Fabrication of highly transparent and conductive indium–tin oxide thin films with a high figure of merit via solution processing. Journal of Materials Chemistry C, 11(12), 4567-4575. https://doi. org/10. 1039/D3TC00456K

[23] Shinde, D. B. , Majumder, M. , Rajalakshmi, N. , & Ramaprabhu, S. (2019). Gallium dopant-induced tunable electrical properties of reduced graphene oxide using metal organic chemical vapor deposition. Applied Surface Science, 504, 144500. https://doi. org/10. 1016/j. apsusc. 2019. 144500

فصلنامه علمی اپتوالکترونیک

مدل سازی نظری، شبیه سازی محاسباتی و خواص الکترونی گرافن آلاییده شده با عناصر گروه III

مراجع

مراجع

دوره 8، شماره 1 - شماره پیاپی 22
مهر 1404
صفحه 9-22

مدل سازی نظری، شبیه سازی محاسباتی و خواص الکترونی گرافن آلاییده شده با عناصر گروه III

مراجع

مراجع

دوره 8، شماره 1 - شماره پیاپی 22مهر 1404صفحه 9-22

دوره 8، شماره 1 - شماره پیاپی 22
مهر 1404
صفحه 9-22