Makalah keramik mutakhir

2,091
-1

Published on

Published in: Education
0 Comments
0 Likes
Statistics
Notes
  • Be the first to comment

  • Be the first to like this

No Downloads
Views
Total Views
2,091
On Slideshare
0
From Embeds
0
Number of Embeds
0
Actions
Shares
0
Downloads
43
Comments
0
Likes
0
Embeds 0
No embeds

No notes for slide

Makalah keramik mutakhir

  1. 1. Makalah Tuning The Magnetic Behavior and Transport Property of Graphene by Introducing Dopant and Defect: A First-principles Study Yong-Hui Zhang a,b,*, Li-Juan Yue a,b, Li-Feng Han a,b, Jun-Li Chen a,b, Shao-Ming Fang a, Dian-Zeng Jia c,Feng Li a,b,*a College of Materials and Chemical Engineering, Zhengzhou University of Light Industry, Zhengzhou 450002, Henan, PRChinab State Laboratory of Surface & Interface Science (SLSIST), Zhengzhou 450002, Henan, PR Chinac College of Chemistry and Chemical Engineering, Xinjiang University, Urumqi, 830046 Xinjiang, PR China Dipublikasi pada jurnal Computational and Theoretical Chemistry 972 (2011) 63–67 Dibuat untuk memenuhi syarat mata kuliah MT 3207 Keramik Mutakhir oleh: Gilang Permata Khusuma ( 13708050 ) PROGRAM STUDI TEKNIK MATERIAL FAKULTAS TEKNIK MESIN DAN DIRGANTARA INSTITUT TEKNOLOGI BANDUNG 2012
  2. 2. AbstrakDengan menggunakan density functional theory and nonequilibrium Green’s function(NEGF), kita mendapatkan kajian secara teoritis sifat magnetik and transport darigraphene dengan menambahkan dopant dan cacat. Graphene dengan tipe p and ndapat dirangasang melalui doping atom B and N. Hal ini menunjukan bahwa vakansiatau metal doping dapat mempengaruhi magnetisasi secara spontan. Simulasi arusdan beda potensial menyatakan perlengkapan dengan N-doped graphene mempunyaikonduktansi yang lebih tinggi dibanding dengan B-doped graphene. i
  3. 3. Daftar IsiAbstrak .......................................................................................................... iDaftar Isi........................................................................................................ iiDaftar Gambar ............................................................................................... iiiBab I Pendahuluan...................................................................................... 11.1 Latar Belakang ........................................................................................ 11.2 Tujuan ..................................................................................................... 1Bab II Dasar Teori ...................................................................................... 2Bab III Metode Komputasi ........................................................................ 33.1 Density Functional Theory...................................................................... 33.2 Density of State ....................................................................................... 43.3 Electrons Transport ................................................................................. 4Bab IV Hasil dan Diskusi ........................................................................... 4Bab V Kesimpulan ...................................................................................... 8 ii
  4. 4. Daftar GambarGambar 1 ....................................................................................................... 3Gambar 2 ....................................................................................................... 7Gambar 3 ....................................................................................................... 10Gambar 4 ....................................................................................................... 13 iii
  5. 5. Bab I Pendahuluan1.1 Latar BelakangGraphene, sebuah atom yang single-layer dari graphite dan nanomaterial dalam 2dimensi (2D), telah menarik perhatian yang besar sejak ditemukan pada tahun 2004.Sebagai bagian baru dari material berbasiskan karbon, struktur sarang lebah darigraphene dengan ikatan orbital sp2 dan π diantara orbital pz yang tegak lurusmendasari sifat fisik yang beragam, seperti 2D Dirac Fermion, efek kuatum Hall yangunik, dan charge carriers dengan mobilitas yang besar. Semua sifat spesial danmenonjol tersebut membuat graphene menjadi salah satu kandidat penting dalamaplikasi yang potensial, seperti gas sensor sampai elektroda tranparan untuk diodepemancar cahaya, photovoltaics dan alat spintronic.Kemungkinan untuk penyelarasan sifat elektronik dari graphene penting tidak hanyasebagai pembelajaran dasar tetapi juga untuk aplikasi masa depan. Banyak metodetelah diajukan untuk merekayasa struktur dari graphene dan yang sebagian besardigunakan sekarang adalah doping dan adsorbsi. Walaupun demikan, sebagian besarteori penelitian dari graphene didasarkan pada analisa Densitiy of States (DOSs) danjarang ditemukan analisa kuantitatif dari efek dopant dan cacat, yang dapat mengubahsifat transport material.1.2 TujuanMedapatkan wawasan dari efek dopant dan cacat terhadap sifat magnetik danelekronik dari material graphene . 1
  6. 6. Bab II Dasar TeoriPenyelidikan awal graphene difokuskan pada fungsionalitas graphene telahmemprediksikan bahwa beberapa atom (Li,Na,K,Fe,Co,Mn, dll) dapat keluar daribatas di sisi cekungnya. Aktrȕ k dan kawan-kawan melakukan adsorbsi Si dan Ge,unsur golongan IV seperti C, di graphene pada tingkat cakupan yang berbeda danpengujian sifat elektronik dan magnetik. Golongan Solange B. Fagan jugamenunjukan bahwa Fe dan Ti diserap dalam permukaan graphene pada konfigurasisecara atomik, wires, dan decorating dapat mengubah secara signifikan strukturelektronik dari graphene.Efek dari cacat dan pengotor di struktur elektronik dari graphene telah dikaji dalambeberapa tahun terakhir, dan kebanyakan penelitian berpusat pada adsorbsi dandoping oleh atom logam, molekul kecil, dan atom hidrogen. Beberapa golongan lainmelaporkan hydrogen storage dari atom logam yang di doping sistem graphene,graphene yang didoping dengan atom non-metal, dan hidrogenasi dari bilayergraphene.Penambahan dopant pada permukaan graphene, seperti Al, B, dan N dapatmeningkatkan interaksi antara molekul dengan graphene yang dapat digunakansebagai medan sensor potensial. Hal ini telah dilaporkan bahwa molekul organik ataufragmen DNA dapat merangsang perubahan signifikan struktur elektronik darigraphene. 2
  7. 7. Bab III Metode Komputasi3.1 Density Functional Theory (DFT)Perhitungan density functional theory (DFT) ditunjukan dengan CASTEPmengunakan ultrasoft pseudopotential, berbasis plane-wave, dan kondisi batasperiodik.1. Local density approximation (LDA) dan batas energi 240 eV untuk set basis plane-wave digunakan pada semua proses relaksasi.2. Setiap sistem graphene yang didoping berisi 12.30 x 12.30 x 10.00 Å graphene super cell (50 C atom) dan satu atom doping (Gambar. 1).3. Titik k diatur ke 3 x 3 x 1 untuk zona integrasi Brillouin.4. Relaksasi geometri ditunjukan dengan kriteria dimana gaya ionic lebih kecil dibanding 0.01 eV/Å.5. Energi adsorbs dari molekul organik graphene dihitung dengan: Ead = E(metal-graphene) – E(graphene) – E(metal) (1) dimana E(metal+graphene), E(graphene) dan E(metal) energi total dari sistem relaksi metal + graphene, graphene dan atom metal. 3
  8. 8. Gambar. 1. (a) Pandangan skematis dari graphene terhadap dopant dan cacat, (b) ilustrasi dari alat graphene-based.3.2 Density of State (DOS)Untuk perhitungan density of state (DOS), titik k diatur sampai 7 x 7 x 1 untukmendapatkan keakurasian yang tinggi. Pengujian perhitungan menggunakan supercellyang luas (14.76 x 14.76 x 12.00 Å, 72 C atoms), energi cut-off yang tinggi (400 eV)atau jarak vakum tertinggi (12 Å) antar lapisan graphene, yang ditunjukan kurang dari2% untuk perbaikan pada simulasi energi.Oleh karena itu, metode perhitungan ini diyakini akurat. Dalam literatur, GGA danLDA adalah dua metode umum yang digunakan untuk menginvestigasi nanomaterial.Sebagaimana ditunjukan dalam perhitungan teoritis yang telah lalu, metode GGAcenderung mengabaikan energi adsorbsi. Sebagai contoh, GGA menunjukan bahwahamper tidak ada interaksi antara dua lapisan graphene. Sebaliknya, LDAmenunjukan pendekatan studi interaksi sistem susunan seperti penumpukan p yangberinteraksi dengan lapisan graphene dalam 3D graphite, dan memberikan hasilenergi adsorbsi yang nilainya mendekati. Banyak penelitian menunjukan LDAmenggambarkan sifat dari nanomaterial berbasis karbon dengan akurat.3.3 Electron TransportPerhitungan electron transport ditunjukan dengan menggunakan ATK package, yangmengimplementasi nonequilibrium Green‟s function (NEGF). 4
  9. 9. 1. Pemilihan pembentukan elemen cut-off pada 200 Ry digunakan untuk mencapai keseimbangan antara perhitungan efisiensi dan akurasi.2. Arus dihitung dengan formula Landauer–Büttiker: a. (2) dimana T(E, Vb) menunjukan probabiltas electronic transport, lR and lL adalah potensial kimia dari elektroda di kanan dan kiri, dan Vb adalah tegangan bias yang diterapkan pada elektroda. 5
  10. 10. Bab IV Hasil dan DiskusiUntuk memamahi akibat dari dopant dan cacat pada struktur elektronik graphene,evaluasi pada dopan seperti boron, nitrogen, dan cacat lainnya ditunjukan padaGambar. 1a. Ketika satu atom karbon digantikan oleh atom B di super cell, secarapraktek tidak ada deformasi di struktur geometri dari struktur graphene dan tetapplanar. Doping B adalah hasil dari elongasi dari panjang ikatan (l) di sisi doping darilC–C = 1.420 Å sampai lB–N = 1.481 Å. Sebagai perbandingan,ketika atom karbondiganti oleh atom N dalam supercell, didapatkan juga bahwa struktur geometri 2Ddari graphene juga planar. Tiga ikatan N–C adalah 1.408 Å. Tetapi bagaimanapunjuga, sesudah menghasilkan kekosongan dengan menghapus satu C dari permukaanlembaran, geometri dari cacat graphene berubah drastis. Panjang ikatan C–C bondmengelilingi cacat pada 1.387 Å atau 1.415 Å. Panjang ikatan dari 1.387 Å padafaktanya mendekati panjang ikatan ganda C–C, yang mana mengindikasikan aktivitaskimia yang lebih.Selanjutnya sifat-sifat transport electron dari graphene yang berbeda dihasilkan darisimulasi menggunakan metode NEGF dengan menampilkan dopant. Jenis palingsederhana dari transduser adalah sensor resistance, dimana hambatan dari perubahanakan sesuai dengan dopant yang beragam, graphene berbasis resistensi disimulasikandengan menggunakan model yang terdiri dari lembaran graphene yang dihubungkandengan dua elektroda graphene (Gambar. 1b). Perhitungan rangkaian kurva arus dantegangan untuk sambungan graphene seperti dengan atau tanpa dopant. Hasil strukturgeometri, struktur elektronik, dan sifat magnetic disajikan dalam bahasan selanjutnya. 6
  11. 11. Sifat elekteronik dan magnetic dari sistem graphene yang berbeda dianalisa dariputaran spectrum densities of states (DOSs). Perhitungan mayoritas dan minoritasdari DOSs untuk graphene murni (a), B-graphene, N-graphene, (b) BN-graphene,graphene yang cacat ditunjukan pada Gambar. 2. Gambar. 2. Perhitungan mayoritas dan minoritas DOS dari: (a) graphene murni (hitam), B-graphene(merah), N-graphene (hijau), (b) pristine graphene (hitam), BN graphene (merah), graphene yang cacat (hijau). Fermi level diseting sampai nol. 7
  12. 12. Graphene sempurna adalah semimetal non magnetik dengan ikatan π- and π*- yangsegaris menyilang dalam Fermi level, indikasi graphene murni menutup peluangsemikonduktor dengan Fermi level-nya yang menyilang pada titik Dirac sepertiditunjukan Gambar. 2a. Perbandingan untuk graphene murni, dapat dipahami bahwadopant B membuat lubang elektronik pada graphene, yang mana disebut sebagai p-type semiconductor. Untuk B-graphene, baik saluran spin up dan spin down bergerakkearah direksi energi yang lebih tinggi, tetapi terlihat tidak adanya pergantian padaspin DOSs. Gambar. 2a mengungkapan bahwa ketidakadaan momen magnetikdideteksi setelah atom B mendoping graphene. Ketika atom Nitrogen didoping dalamgraphene, terjadi hibridisasi sp2 dan menampilkan tiga ikatan d dengan tiga atomtetangga atom terdekat dari C. Baik saluran spin up and spin down dalam doping Nbergerak menuju energi direksi terendah, dan menunjukan pergantian pada spinDOSs. Sehingga N-graphene termasuk juga planar dan non-magnetic. Sesudahdoping atom B and N atom kepada graphene, spin up and spin down dari BN doped-graphene mendekati graphene murni, yang mana bergerak ke titik Dirac. Baik dopingatom B atau doping atom N kedalam graphene, tidak momen magnetik moment yangterdeteksi.Dalam gambar. 2b, ditunjukan spin up and spin down densities of states (DOS) darigraphene yang cacat. Dalam kasus cacat (vakansi atom C), dapat dilihat bahwamayoritas DOS melampaui minoritas DOS dengan okupasi peak hanya pada Fermilevel, yang mengkontribusikan momen magnetik dalam range antara 0.0 and 0.5 eV,dan peak 0.1 eV. Sementara itu, minoritas DOS melampaui mayoritas DOS denganmengokupasi peak dibawah Fermi level, yang mengkontribusikan momen magnetikpada range antara -0.8 and 0.0 eV, dan peak is -0.2 eV. Momen magnetiknya sebesar0.43 µB. Hasil ini mengindikasikan bahwa material mempunyai kemungkian sifatsetengah metallic melihat polarisasi spin yang lengkap dari konduksi elektron. 8
  13. 13. Pemodelan adsorbsi atom metal pada pemukaan graphene (lihat Gambar. 1a), yangsecara efektif mengubah sifat magnetik and transport dari graphene.Beberapa atom metal (Li, Co and Fe) didoping dalam struktur graphene untukmengeksplorasi kemungkinan perubahan sifat magnetik dari graphene (Lihat Gambar.1a). Tempat adsorpsi dijelaskan dengan penempatan atom tambahan pada tempatyang berbeda diatas graphene, seperti di atas (atas dari atom Karbon), dinding(disekitar ikatan karbon–karbon), di lubang (disekitar pusat dari hexagons), dansubsequen dari optimalisasi struktur untuk mendapatkan energi minimum dan gayaatomik. Sebagai contoh, untuk membuat Fe teradsorbsi dalam graphene, atom Feditempatkan pada posisi yang berbeda. Sesudah merelakasasi struktur, strukturdengan atom Fe masuk dalam hollow site. Energi adsorbs yang tinggi dan jarak yangpendek mengindikasikan bahwa interaksi antara graphene dan Fe kuat. Plot electroniccharge dari Fe dan graphene yang sangat kuat, menunjukan terjadinya percampuranorbital dan charge transfer yang lebih luas. Analisa populer Mulliken menyatakan, Fe(pembebanan +1.33|e|) dapat menghasilkan ion positif charged dalam adsorpsiadduct. Perubahan yang besar (1.33|e|) ditransferkan dari Fe ke graphene.Mengingat sifat magnet yang kuat dari atom Fe, Fe-graphene diharapkan menjadibersifat magnetik (Gambar. 3a). Saluran spin up dari Fe-graphene menunjukan duabagian baru, satu didekat -1.0 eV dalam ikatan valensi dan yang didekat 1.0 eV dalamikatan konduksi. Kesenjangan sifat semikonduktor dari graphene dilakukan dalamsaluran spin up dari Fe-graphene, tetapi saluran spin down menunjukan bagianketidakpadatan disekitar Fermi level, yang juga diyakini bahwa Fe-graphene adalahsebagai setengah metal. Hal ini telah diamati sebagai interaksi antara graphene dan Femenginduksikan perubahan antara up dan down spin DOSs secara signifikan, yang 9
  14. 14. menghasilkan dalam momen magnetik yang tinggi. Momen magnetik dari Fe-graphene dikalkulasikan sebesar 2.28 µB. Gambar. 3. Perhitungan mayoritas dan minoritas DOS dari: (a) graphene murni (hitam), Fe-graphene (merah), Perhitungan mayoritas dan minoritas DOS dari (b) Fe dalam Fegraphene. Orbital s, p dan d orbitals ditunjukan dalam warna masing-masing hitam, merah dan hijau. Titik nol berkorespodensi dengan energi Fermi.Seperti pembelahan dalam orbital d, pemahaman dapat dilakukan denganmenggunakan Ligdan Field Theory (LTF). Menurut LFT, interaksi antara logamtransisi dan ligdan muncul dari atraksi logam kation yang bermuatan positif danmuatan negatif dari ligdan yang tidak berikatan elektronnya. Sebagai materi yangmendekati ion metal, elektron dari lidgan akan mendekati beberapa orbital d dan lebihjauh lagi menyebakan hilangnya degenerasi. Pemisahan tingkat energi („„Ligdan fieldsplitting‟‟) terjadi karena orientasi funsgi gelombang orbital d (dxy, dzx, dyz, dx2-y2 dandz2) meningkatkan energi elektron ketika orbital ditempatkan dalam daerah dengankepadatan elektron yang tinggi, dan menurunkannya ketika kebalikan dari prosestersebut. Perbedaan energi antara orbital yang membelah mengacu pada parameterLigdan Field Splitting (D). Konfigurasi elektronik dari senyawa kompleks tersebutdijelaskan dengan nilai relatif D dan Spin-Pairing Energi (SPE). 10
  15. 15. Hasil perhitungan muatan jumlah mengindikasikan bahwa atom Co dan Fe membawadua muatan positif dalam logam-graphene yang kompleks, maka mereka memiliki 7dan 6 elektron d. menurut teori dan eksperimen, SPE dari d7 kation logam transisiberkisar antara 1.71 eV, sedangkan SPE dari d6 kation logam transisi berkisar antara1.49 eV. Seperti yang disarankan dalam nilai pembelahan ikatan orbital d dalamperhitungan PDOS, nilai D dalam sistem Co-graphene dan Fe-Graphene sangat kecil.Oleh karena itu, sangat mudah untuk mengambil elektron d kedalam pengaturanenergi yang lebih tinggi dibandingkan mengambil keduanya kedalam energy orbitalyang sama rendahnya. Maka, satu elektron yang masuk kedalam tiap orbital d yangada sebelum terjadi pemasangan akan mengikuti aturan Hund dan “high spin” yangkompleks terjadi. Lalu, baik Co-graphene dan Fe-graphene mucul sifat magnetic. Jikasistem metal-graphene diardsorb oleh senyawa lain, nilai D akan melebihi SPE dansistem akan berganti menjadi “low spin” yang kompleks. Oleh karena itu, energyorbital terendah diisi secara penuh sebelum jumlah dari set atas dimulai denganprinsip Aufbau, sehingga terjadi pasangan electron yang menghasilkan tidak adanyamomen magnetik.Parsial DOSs (PDOS) dari Fe di Fe-graphene ditunjukan pada Gambar. 3b. Orbital sdari Fe in Fe-graphene berkontribusi pada bagaian disekitar 1.0 eV dan 1.8 eV.Orbital p dari Fe di Fe-graphene berkontribusi pada bagian disekitar 1.0 eV dan 2.0eV diatas Fermi level dan 0.5 eV dibawah Fermi level, sedangkan orbital dberkontribusi pada range -1.0 sampau 1.0 eV. PDOSs berbeda dengan saluran spin-up dan spin-down yang mengindikasikan terjadinya momen magnetik. Cacat dandopant logam membuat graphene dari tidak semikonduktor menjadi metallic material.sementara, tuning graphene pada ikatan gap yang terbatas sanagt penting untukaplikasi elektronik kedepannya. Leenaerts dan kawan-kawan melaporkanfungsionalitas kimia dari graphenedengan hidrogen dan fluoride. Ikatan gap yangterbatas dihasilkan sesudah modifikasi kimia terjadi. 11
  16. 16. Penyelidikan kualitatif terhadap efek dopant pada sifat transport dari graphenebebasis perangkat listrik telah dilakukan. Jenis paling sederhana dari transduserpenginderaan kimia adalah sensor resistance, dimana hambatan dari bahanpengindera pada dopant atau cacat terdeteksi. Graphene berbasis sensor resistancedisimulasikan menggunakan model yang terdiri dari lembaran graphene yangdihubungkan oleh dua elektroda graphene. Sistem periodik digunakan sebagaihamburan yang mencakup 50 atom karbon untuk graphene murni, 49 atom karbondengan satu dopant, dan 50 atom karbon dengan satu atom metal. Daerah hamburantelah dipelajari dalam CASTEP. Setelah merelaksasi dareah hamburan, modelsimulasi yang dibuat oleh Virtual Nanolab telah ditampilkan, dan model teoritis yangsimple dapat dilihat pada Gambar. 1b untuk lebih mudahnya. Sepuluh atom karbonyang serupa dengan struktur graphene digunakan sebagai elektroda di kiri dan kanan.Kurva I–V dari graphene yang dimodifikasi oleh doping B dan N dihitungmenggunakan metode NEGF, yang secara efektif memberikan perubahan tipekonduktansi dari sensing transducers pada saat dopant dimasukan (lihat Gambar. 1b).Kurva I–V dari graphene murni menunjukan perilaku non-linearyang konsistendengan tidak adanya sifat semikonduktor. Konduktivitas dari B-graphene tiga kalilebih tingi disbanding dengan graphene murni karena peningkatan jenis lubangpembawa ikatan, yang menegaskan penemuan sebelumnya dalam analisa DOS(Gambar. 2a). Sebaliknya, peningkatan dramatis dari arus diamati untuk N-graphene,yang mengindikasikan sensitivitas yang lebih tinggi. Hasil I–V yang sesuai dengantranmisi spectrum ditunjukan Gambar. 4b.Hasil ini berbeda dari doping B atau Npada graphene yang nanoribbons. Graphene pada jurnal ini adalah sistem periodic,yang berbeda dengan nanoribbon graphene yang mempunyai ukuran spesifik untukpita zigzag. 12
  17. 17. Gambar. 4. (a) Kurva I–V dari dua elektroda yang berbasiskan pada graphene murni (hitam), B- graphene (merah), N-graphene (hijau), and Fe-graphene (biru). (b) Transmisi dari persimpangan tegangan bias sebesar 2.0 V. Perlu dilihat kembali bahwa transmisi diatur 0.03 dari satu sama lain.Transmisi pada graphene murni mendekati sekitar nol pada Fermi level, hal inimengindikasikan saluran transport elekron yang rendah. Sebaliknya, B-graphenemempunyai peak diatas Fermi level mendekati skitar 0.87 eV, dan the Fe-graphenemempunyai dua peak, satu pada -0.26 eV dibawah Fermi level dan satu lagi diatasFermi level mendekati 0.70 eV. N-graphene mempunyai dua peak yang tinggi diatasFermi level sekitar 0.45 eV dan 0.73 eV. Hal ini mengindikasikan bahwa N-graphenemenghasilkan saluran transport elektron yang lebih baik, oleh karena itukonduktansinya baik. 13
  18. 18. Bab V KesimpulanSecara umum, analisa ini telah berhasil menunjukan perhitungan first-principlespseudopotential dengan double-zeta ditambah polarisasi pengaturanan berbasisatomic-orbital untuk mempelajari sifat elektronik, magnetik dan transport dari ofdoping dan single vakansi dalam graphene. Penelitian ini juga menemukan bahwavakansi dan doping metal dapat menimbulkan magnetisasi secara spontan, sedangkanB-graphene dan N-graphene tidak dapat mencapai momen magnetik. Lebih menariklagi, sifat transport dari N-graphene lebih sensitif dibandingkan dengan graphenemurni atau B-graphene. Hasil ini mengindikasikan bahwa tipe dopant n dari graphenemennampilkan kemudahan konduksi elektron, yang dapat membantu perancanganperangkat sensor magnetik. 14

×