بررسی نظری خواص الکترونی و اپیتکی نانو لوله های کربنی تک جداره و پیپادها

در این پژوهش خواص اپتیکی از قبیل تابع دی الکتریک، ضریب شکست و ضریب خاموشی، هدایت اپتیکی، قاعده جمع قدرت نوسانگر، شدت انتقال بین نواری، و طیف اتلاف انرژی و همچنین خواص الکترونی نظیر ساختار نواری و طیف چگالی حالتها برای انواع نانولوله های کربنی تک جداره و سیستم های پیپاد مطالعه شده است. در محاسبات خواص اپتیکی مختلط از تبدیلات کرامرز- کرونیک استفاده شده است. کلیه توابع اپتیکی در هر دو راستای میدان موازی (قطبش موازی) و عمودی (قطبش عمودی) محاسبه شده است. مشخص شد که تمامی توابع اپتیکی به استثنای طیف اتلاف انرژی، حول این دو قطبش کاملا ناهمسانگردند. در نانولوله های فلزی از قبیل(3،3)، (4،1) و (5،0) علاوه بر انتقالات بین نواری، سهم انتقالات درون نواری نیز در محاسبه خواص اپتیکی این نانولوله ها در نظر گرفته شده است. با افزودن سهم انتفالات درون نواری، تغییرات چشمگیری در طیف های اپتیکی نانولوله فلزی(4،1) در راستای میدان موازی صورت می پذیرد، در صورتی که در حالت قطبش عمودی افزودن انتقالات درون نواری، تغییری در طیف های اپتیکی ایجاد نمی کند. با در نظر گرفتن سهم انتقالات درون نواری، قسمتهای حقیقی و موهومی تانسور دی الکتریک در انرژی صفر دارای تکینگی بوده و بنابراین ثابت دی الکتریک الکترونی به سمت بی نهایت میل می کند. کلیه نانولوله های کربنی دسته صندلی دارای خاصیت فلزی هستند. طیف های اپتیکی محاسبه شده نانولوله (3،3)، حول دو قطبش اعمالی کاملا ناهمسانگرد بوده و در راستای میدان موازی با محور نانولوله در انرژی حدود صفر طیف ها دارای تکینگی هستند. نانولوله های با قطر کوچک، بسته به کایرالیتی و قطر نانولوله، ممکن است دارای خاصیت فلزی یا نیمرسانایی باشند. نتایج ما نشان می دهد که نانولوله های (5،0) و (3،3) دارای خاصیت فلزی بوده در حالیکه نانولوله (4،2) نیمرسانا با گافی حدود ev24/0 در نقطهx و گافی دیگر با پهنای ev2/1 در نقطه است. نتایج حاصل از محاسبات گاف انرژی نانولوله های کربنی تک جداره بیانگر این مطلب است که نانولوله های زیگزاگ با کایرالیتی مضربی از 3 ، دارای گاف بسیار باریک، کمتر ازev1/0 می باشند. همچنین مقدار گاف محاسبه شده برای نانولوله های زیگزاگ با کایرالیتی کمتر از 7، به خاطر اثرات انحنا بالا در نانولوله های کوچک، مقدار صفر به دست آمده است، در صورتی که بر طبق مدل بستگی قوی نانولوله های(4،0) و (5،0) نیمرسانا می باشند. اختلاف بین نتایج ما و نظریه بستگی قوی ناشی از اثرات انحنا می باشد. در نانولوله های با قطر کوچک اثرات انحنا بیشتر بوده و در نتیجه منجر به هیبریداسیون بیشتری بین اربیتال های ? و? شده و سبب تغییر ساختار نواری می شود. قله های مشاهده شده در بخش موهومی تابع دی الکتریک، که با ei نشان داده شده اند، بیانگر گذارهای اپتیکی مجاز بین نواری می باشند. تعداد قله ها ( گذارهای اپتیکی) با کاهش قطر نانولوله کاهش می یابد که ناشی از هیبریداسیون ??? بیشتر در نانولوله های کوچکتر است. اولین، دومین، سومین و چهارمین گذار اپتیکی برای انواع مختلف نانولوله های کربنی تک جداره محاسبه شده است. نتایج نشان می دهد، که بر خلاف نانولوله های با قطر بزرگ، طیف جذب نانولوله های کربنی با قطر کوچک قویا به کایرالیتی نانولوله بستگی دارد. ثابت دی الکتریک الکترونی و گاف اپتیکی نانولوله های کربنی تک جداره در هر دو راستای قطبش موازی و عمودی محاسبه شده است. با توجه به نتایج مشخص می شود که در نانولوله های کربنی با قطر بزرگ، گاف اپتیکی محاسبه شده در راستای قطبش عمودی بزرگتر از مقدار آن در قطبش موازی است، در حالیکه در نانولوله های با قطر کوچک اندازه گاف اپتیکی در راستای قطبش موازی، در مقایسه با قطبش عمودی، بزرگتر است. همچنین مشاهده می شود که اندازه گاف اپتیکی، با کاهش قطر نانولوله، افزایش می یابد. تانسور دی الکتریک نانولوله های کربنی محاسبه شده حول این دو قطبش کاملا ناهمسانگرد بوده و اندازه ثابت دی الکتریک در راستای قطبش موازی بزرگتر از مقدار آن درحالت قطبش عمودی است. طیف اتلاف محاسبه شده برای انواع نانولوله های کربنی تک جداره نسبتا مشابه بوده و یک قله تیز پلاسمونی ? در انرژی حدود ev5 و نیز یک قله پلاسمونی ??? پهن در محدوده انرژی ev22-15 در توابع اتلاف مربوط به تمامی نانولوله ها مشاهده می شود. علاوه بر این مشخص شد که بر خلاف تابع دی الکتریک، طیف اتلاف محاسبه شده برای نانولوله های کربنی تک جداره بستگی چندانی به کایرالیتی ندارد و همچنین ناهمسانگردی ضعیفی حول هر دو قطبش دیده می شود که با نتایج گزارش شده دیگران در توافق است. در این پژوهش سیستم پیپاد متشکل از نانولوله های کربنی تک جداره (10،0) و (12،0) پرشده با پلی تایوفین مورد بررسی قرار گرفته است. در ابتدا محاسبات را برای سیستم های پلی تایوفین و نانولوله به صورت جداگانه انجام داده و سپس پلی تایوفین را در راستای محور نانولوله وارد و آنگاه محاسبات را برای سیستم پیپاد تکرار نمودیم. چون برهمکنش بین پلی تایوفین و نانولوله از نوع واندروالس می باشد، با ورود پلی تایوفین داخل نانولوله گاف انرژی تغییری نکرده و ساختار نواری سیستم پیپاد جدید حاصل برهمنهی نوارهای انرژی سیستم های اولیه پلی تایوفین و نانولوله است. با وارد کردن پلی تایوفین به داخل نانولوله، توابع اپتیکی نانولوله در راستای قطبش موازی به طور چشمگیری تغییر می کند، در صورتی که برای قطبش عمودی توابع اپتیکی سیستم اولیه نانولوله و سیستم جدید پیپاد تقریبا مشابه است. منحنی اختلاف سیستم های اولیه پلی تایوفین و نانولوله از سیستم جدید پیپاد، بیانگر برهمکنش بین پلی تایوفین و نانولوله در سیستم پیپاد می باشد و نشان دهنده گذارهای اپتیکی جدید بین پلی تایوفین و نانولوله است. چهار قله اول در قسمت موهومی تابع دی الکتریک سیستم پیپاد، اولین، دومین، سومین و چهارمین گذار اپتیکی جدید بین پلی تایوفین و نانولوله را نشان می دهد. اثرات برهمکنش بین پلی تایوفین و نانولوله، با توجه به منحنی اختلاف (diff)، در تابع اتلاف انرژی چشمگیرتر است.