Undersøgelse løser kontroverser om elektronstrukturen af ​​defekter i grafen

En undersøgelse udført ved University of São Paulo's Physics Institute (IF-USP), Brasilien, har løst en langvarig kontrovers vedrørende defekter i grafen. Kontroversen er relateret til beregningen af ​​den overordnede elektroniske struktur af defekter. Denne konfiguration, som omfatter mange variabler, blev beskrevet på forskellige måder afhængig af forskeren og den anvendte model. Løsningen, som er identisk for alle modeller og kompatibel med eksperimentelle fund, blev opnået af chilenske Ana María Valencia García og hendes ph.d.-vejleder, Marília Junqueira Caldas, Fuld professor ved IF-USP.

En artikel forfattet af begge forskere er blevet publiceret i tidsskriftet Fysisk gennemgang B , med titlen "Enkelt ledig stillingsdefekt i grafen:Indsigt i dets magnetiske egenskaber fra teoretisk modellering."

"Der var forskelle i samfundet om, hvorvidt den ledige stilling, der dannes ved at fjerne et enkelt carbonatom fra et grafenarks krystalgitter, forårsager et svagt eller stærkt magnetisk moment, og om styrken af ​​den magnetiske interaktion mellem ledige stillinger, "Sagde Caldas. Den ledige stilling får de omkringliggende atomer til at omarrangere sig til nye kombinationer for at imødekomme fraværet af et atom, danner elektronklynger kendt som "flydende orbitaler" på det ledige sted.

Tre vigtige variable er forbundet med fænomenet:elektrondensitet, dvs. hvordan elektronerne er fordelt; elektronniveauer, dvs. energiniveauerne optaget af elektronerne; og magnetisk moment, dvs. drejningsmomentet produceret i elektronerne af et eksternt magnetfelt.

Førstehåndsbrug af hybridmetode i grafen

"Der er to måder at beregne den overordnede elektronstruktur i den ledige region, begge afledt af kvantemekanik:Hartree-Fock (HF) metoden, og densitet funktionel teori (DFT). I DFT, beregningen udføres ved at få hver elektron til at interagere med den gennemsnitlige elektrontæthed, som omfatter den pågældende elektron. I HF, den anvendte operator udelukker elektronen og tager kun hensyn til dens interaktion med de andre. HF producerer mere præcise resultater for elektronstruktur, men beregningen er langt mere besværlig, " sagde Caldas.

"De to metoder kombineres ofte ved hjælp af hybridfunktioner, som har været nævnt i den videnskabelige litteratur siden slutningen af ​​det 20. århundrede. Jeg arbejdede selv med dem for noget tid siden i en undersøgelse om polymerer, men de var aldrig blevet brugt i tilfælde af grafen. Hvad Ana María Valencia García og jeg gjorde, var at opdage den hybridfunktion, der bedst beskriver materialet. Anvendes på flere modeller ved hjælp af computersimulering, vores hybridfunktion gav det samme resultat for dem alle, og dette resultat matchede de eksperimentelle data."

Udover at løse kontroversen, som varede i årevis, et andet interessant aspekt af denne forskning er problemet, der motiverede den. "Vi kom til det via interessen vækket af et materiale kendt som antropogen mørk jord eller ADE, "Forklarede Caldas." ADE er en slags meget mørk, frugtbar jord fundet i flere dele af verden, inklusive Amazonas. Det holder på fugten selv ved høje temperaturer, og forbliver frugtbar selv under kraftig regn. Det kaldes menneskeskabt, fordi dets sammensætning stammer fra møddinger og dyrkning af oprindelige befolkninger i den præcolumbianske periode for mindst to årtusinder siden. Dette spændende materiale var kendt for at være et resultat af multi-stablede lag af grafen nanoflager. Det var vores interesse for ADE, der fik os til at studere fænomenet ledig stilling i grafenark."

Afslutningsvis, det skal bemærkes, at der er potentielle ansøgninger om ledige stillinger i grafenark, da information kan indkodes i defekten og ikke i hele strukturen. Der vil være behov for meget mere forskning, før applikationer kan udvikles, imidlertid.