C h można przedstawić w bazie wektorów bazowych grafenu (*) (**) Nanorurki węglowe (jednościenne)

Podobne dokumenty
= a (a c-c )x(3) 1/2. Grafit i nanorurki węglowe Grafen sieć rombowa (heksagonalna) z bazą dwuatomową

= a (a c-c )x(3) 1/2. Grafit i nanorurki węglowe Grafen sieć rombowa (heksagonalna) z bazą dwuatomową. Metody wytwarzania

1. Elementy (abstrakcyjnej) teorii grup

S 2, C 2h,D 2h,D 3d,D 4h, D 6h, O h

MATERIA. = m i liczby całkowite. ciała stałe. - kryształy - ciała bezpostaciowe (amorficzne) - ciecze KRYSZTAŁY. Periodyczność

S. Baran - Podstawy fizyki materii skondensowanej Pasma energetyczne. Pasma energetyczne

Krystalochemia białek 2016/2017

Aby opisać strukturę krystaliczną, konieczne jest określenie jej części składowych: sieci przestrzennej oraz bazy atomowej.

na dnie (lub w szczycie) pasma pasmo jest paraboliczne, ale masa wyznaczona z krzywizny niekoniecznie = m 0

Repeta z wykładu nr 3. Detekcja światła. Struktura krystaliczna. Plan na dzisiaj

Fizyka Ciała Stałego

Wykład II Sieć krystaliczna

Wykład VI. Teoria pasmowa ciał stałych

Wykład III. Teoria pasmowa ciał stałych

Grupy przestrzenne i ich symbolika

np. dla elektronów w kryształach; V(x+d) = V(x), d - okres periodyczności = wielkość komórki elementarnej kryształu

Grafika komputerowa Wykład 8 Modelowanie obiektów graficznych cz. II

Układ regularny. Układ regularny. Możliwe elementy symetrii: Możliwe elementy symetrii: 3 osie 3- krotne. m płaszczyzny przekątne.

Wykład 5. Komórka elementarna. Sieci Bravais go

SIMR 2016/2017, Analiza 2, wykład 1, Przestrzeń wektorowa

Zadania treningowe na kolokwium

STRUKTURA CIAŁA STAŁEGO

domykanie relacji, relacja równoważności, rozkłady zbiorów

Co to jest wektor? Jest to obiekt posiadający: moduł (długość), kierunek wraz ze zwrotem.

3. Operacje symetrii, macierze operacji symetrii. Grupy punktowe. Przypisywanie grupy punktowej dla zadanych obiektów

Elementy teorii powierzchni metali

STRUKTURA KRYSTALICZNA

Teoria ciała stałego Cz. I

Symetria w fizyce materii

Pasmowa teoria przewodnictwa. Anna Pietnoczka

13. Równania różniczkowe - portrety fazowe

Co należy zauważyć Rzuty punktu leżą na jednej prostej do osi rzutów x 12, którą nazywamy prostą odnoszącą Wysokość punktu jest odległością rzutu

ELEMENTY I OPERACJE SYMETRII Symbol Element symetrii Operacja symetrii

TEORIA PASMOWA CIAŁ STAŁYCH

BUDOWA KRYSTALICZNA CIAŁ STAŁYCH. Stopień uporządkowania struktury wewnętrznej ciał stałych decyduje o ich podziale

Rozwiązanie: Zadanie 2

Wstęp. Krystalografia geometryczna

Sieć przestrzenna. c r. b r. a r. komórka elementarna. r r

FUNKCJE. 1. Podstawowe definicje

2. FUNKCJE. jeden i tylko jeden element y ze zbioru, to takie przyporządkowanie nazwiemy FUNKCJĄ, lub

Chemiateoretyczna. Monika Musiał. Elementy teorii grup

Matematyka A kolokwium 26 kwietnia 2017 r., godz. 18:05 20:00. i = = i. +i sin ) = 1024(cos 5π+i sin 5π) =

Zestaw 2. Definicje i oznaczenia. inne grupy V 4 grupa czwórkowa Kleina D n grupa dihedralna S n grupa symetryczna A n grupa alternująca.

Opracowanie: mgr inż. Antoni Konitz, dr hab inż. Jarosław Chojnacki Politechnika Gdańska, Gdańsk 2007, 2016

WEKTORY I WARTOŚCI WŁASNE MACIERZY. = λ c (*) problem przybliżonego rozwiązania zagadnienia własnego dla operatorów w mechanice kwantowej

Iloczyn skalarny. Mirosław Sobolewski. Wydział Matematyki, Informatyki i Mechaniki UW. 10. wykład z algebry liniowej Warszawa, grudzień 2013

Elementy symetrii makroskopowej.

jednoznacznie wyznaczają wymiary wszystkich reprezentacji grup punktowych, a związki ortogonalności jednoznacznie wyznaczają ich charaktery

PLANIMETRIA CZYLI GEOMETRIA PŁASZCZYZNY CZ. 1

Geometria w R 3. Iloczyn skalarny wektorów

Elementy teorii powierzchni metali

Stany skupienia materii

Elementy symetrii. obiekt geometryczny taki jak linia, płaszczyzna lub punkt, względem którego dokonuje się operacji symetrii.

A,B M! v V ; A + v = B, (1.3) AB = v. (1.4)

GAZ ELEKTRONÓW SWOBODNYCH POWYŻEJ ZERA BEZWZGLĘDNEGO.

Wykład 1. Symetria Budowy Kryształów

FUNKCJE LICZBOWE. Na zbiorze X określona jest funkcja f : X Y gdy dowolnemu punktowi x X przyporządkowany jest punkt f(x) Y.

Metody symulacji w nanotechnologii

Zajęcia nr 1 (1h) Dwumian Newtona. Indukcja. Zajęcia nr 2 i 3 (4h) Trygonometria

Spis treści. Przedmowa redaktora do wydania czwartego 11

Fizyka Ciała Stałego. Struktura krystaliczna. Struktura amorficzna

Praca domowa - seria 6

Fizyka Ciała Stałego. Struktura krystaliczna. Struktura amorficzna

1. Wykład NWD, NWW i algorytm Euklidesa.

Geometria. Rozwiązania niektórych zadań z listy 2

R n jako przestrzeń afiniczna

Zajmijmy się najpierw pierwszym równaniem. Zapiszmy je w postaci trygonometrycznej, podstawiając z = r(cos ϕ + i sin ϕ).

Ciągłość funkcji f : R R

Zastosowanie teorii grup. Grupy symetrii w fizyce i chemii.

Wektory i wartości własne

Notatki przygotowawcze dotyczące inwersji na warsztaty O geometrii nieeuklidesowej hiperbolicznej Wrocław, grudzień 2013

Wykład Budowa atomu 3

Algebra Liniowa 2 (INF, TIN), MAP1152 Lista zadań

9 Przekształcenia liniowe

13 Układy równań liniowych

Stara i nowa teoria kwantowa

Grupy. Permutacje 1. (G2) istnieje element jednostkowy (lub neutralny), tzn. taki element e G, że dla dowolnego a G zachodzi.

Z52: Algebra liniowa Zagadnienie: Zastosowania algebry liniowej Zadanie: Operatory różniczkowania, zagadnienie brzegowe.

Model elektronów swobodnych w metalu

Funkcje liniowe i wieloliniowe w praktyce szkolnej. Opracowanie : mgr inż. Renata Rzepińska

Wykład 10. Stwierdzenie 1. X spełnia warunek Borela wtedy i tylko wtedy, gdy każda scentrowana rodzina zbiorów domkniętych ma niepusty przekrój.

Grupy, pierścienie i ciała

Zaburzenia periodyczności sieci krystalicznej

1 Podobieństwo macierzy

Przestrzenie wektorowe

21 Symetrie Grupy symetrii Grupa translacji

Zad Sprawdzić, czy dana funkcja jest funkcją własną danego operatora. Jeśli tak, znaleźć wartość własną funkcji.

Arkusz maturalny nr 2 poziom podstawowy ZADANIA ZAMKNIĘTE. Rozwiązania. Wartość bezwzględna jest odległością na osi liczbowej.

ALGEBRA LINIOWA Z ELEMENTAMI GEOMETRII ANALITYCZNEJ

WYKŁAD 5 Zastosowanie teorii grup w analizie widm oscylacyjnych

Interferometr Macha-Zehndera. Zapis sinusoidalnej siatki dyfrakcyjnej i pomiar jej okresu przestrzennego.

Fizyka 3.3 WYKŁAD II

Metody rozwiązania równania Schrödingera

Rozdział 8. Analiza fourierowska. 8.1 Rozwinięcie w szereg Fouriera

Funkcja rozkładu Fermiego-Diraca w różnych temperaturach

Jednowymiarowa mechanika kwantowa Rozpraszanie na potencjale Na początek rozważmy najprostszy przypadek: próg potencjału

NA PODSTAWIE PROGRAMU ROBOT STRUCTURAL ANALYSIS PROFESSIONAL Autor: mgr inż. Bartosz Kawecki

Spacery losowe generowanie realizacji procesu losowego

Funkcje analityczne. Wykład 4. Odwzorowania wiernokątne. Paweł Mleczko. Funkcje analityczne (rok akademicki 2017/2018)

Transkrypt:

Nanorurki węglowe (jednościenne) zwinięte paski arkusza grafenu (wstęgi grafenowej) (węzły sieciowe Bravais i węzły podsieci) wstęgi: chiralna fotelowa zykzak komórka elementarna jednoznacznie definiuje się przez zadanie wektora chiralnego = wektora obwodu C h, C h można przedstawić w bazie wektorów bazowych grafenu (*) C h na m (n,m), 0 =< m =<n 1 a 2 średnica d t = L/π, L= C h = C h C h = a n 2 + m 2 + nm (**) wektor translacji T t1a1 t2a2 jest to wektor translacji nanorurki (1D) z faktu, że T C h =0, ( t 1 i t 2 - nie mogą mieć wspólnego podzielnika,

[jest to najkrótszy wektor o własności (**) ] ) wynika, że t 1 =(2m+n)/dr, t 2 =-(2n+m)/dr, dr największy wspólny podzielnik (2m+n) i (2n+m) nanorurki fotelowe (armchair) (n,n) komórka elementarna lub.. ta jest (3,3), 4n atomów w u.c. tzn. 6 grafenowych u.c. nanorurki zygzakowate (zig-zag) (n,0) komórka elementarna nanorurki chiralne, n m Komórka elementarna nanorurki to pierścień-walec (pusty), zawiera wiele atomów w bazie; chiralne zwykle bardzo dużo zatem: do opisania pełnej symetrii potrzebne są wektory niesieciowe

Wektor symetrii R R do najbliższego węzła sieciowego wektor R oznacza złożoną operację symetrii: - obrót wokół osi nanorurki o kąt ψ=2π/n, 2N - liczba atomów w komórce elementarnej nanorurki (inaczej liczba komórek grafenowych w komórce elementarnej nanorurki - translacja o wektor τ τ - nie jest wektorem sieciowym grafenu ani wektorem nt wielokrotne wykonanie R (zaczynając od jednego atomu w komórce elementarnej nanorurki), wygeneruje wszystkie atomy sieciowe (tzn. należące do jednej podsieci) w tej komórce np.: (3,3) oczywiście NR = C h + MT, i można pokazać, że M = np-mq, gdzie p i q to współrzędne R w układzie (a 1, a 2 ) kolejne operacje: (ψ τ), (ψ τ) 2, (ψ τ) 3,, (ψ τ) N = E, tworzą cykliczną grupę abelową oznaczaną C N.... N - liczba komórek grafenu w komórce elementarnej nanorurki... z definicji N Ch T a a 1 2 2( m 2 n d R 2 nm)

niektóre nanorurki mogą mieć wyższą symetrię nanorurki fotelowe i zygzakowate mają: - oś n-krotną C n, (nie mylić n z N) - n osi 2-krotnych (albo przecinających wiązanie C-C, albo środek sześcianu) to razem daje grupę D n, - poza tym mają środek inwersji ich punktową grupą symetrii jest D n x C i ale rezultat tego iloczynu zależy od parzystości n i ostatecznie G = D nh gdy n=2j; G = D nd gdy n=2j+1 nanorurki chiralne Jeśli n,m - nie mają wspólnego podzielnika to jedynymi operacjami i symetrii są operacje śrubowe (ψ τ) czyli grupa abelowa C N, Jeśi n,m mają wspólny podzielnik d to nanorurka jest niezmiennicza przy obrotach o C d, i ostateczną grupą symetrii jest C N = C d x C N/d Sieć odwrotna i IBZ dla jednowymiarowego układu jakim jest CN, IBZ też musi być jednowymiarowa, ale formalnie mamy periodyczność także w kier. C h w rzeczywistości tylko periodyczne warunki brzegowe formalnie dwa wektory sieci odwrotnej K 1 i K 2 (stowarzyszone z C h i T) podobnie jak dla grafenu, gdzie mamy komórkę elementarna zdefiniowaną przez a 1 i a 2 oraz odpowiadające wektory sieci odwrotnej b 1 i b 2, to dla komórki (nanorurkowej) zdefiniowanej przez wektory C h i T mamy dwa wektory sieci odwrotnej K 1 i K 2 : K 1 - związany z periodycznością w C h K 2 - związany z periodycznością w T, musi zatem zachodzić C h K 1 = 2π, C h K 2 = 0, T K 1 = 0, T K 2 = 2 π,

pamiętając o (*) i (**) dostaniemy K 1 = 1/N (-t 2 b 1 + t 1 b 2 ), K 2 = 1/N (mb 1 - nb 2 ) IBZ nanorurki zaznaczone jest odcinkiem W-W / NK 1 jest wektorem sieci odwrotnej grafenu wektory k różniące się o NK 1 są równoważne ale μk 1 (dla μ = 0, 1,, N-1 ) nie są równoważne co w rezultacie daje to N dyskretnych wektorów k (falowych) odpowiadających kwantyzacji ze względu na periodyczne warunki brzegowe w C h ; dyskretyzacja każdego 2D pasma grafemu na N jednowymiarowych pasm nanorurki. (uwaga: na wykresie pasm jest tylko prawa połowa IBZ) uwaga: nie musieliśmy wykonywać żadnych obliczeń, wystarczyło skorzystać z obliczeń dla grafenu zauważmy, że w zależności o kierunku wektora C h będzie zależał kierunek położeń linii wektorów K 2, liczba wektorów K 2 zależy od liczby atomów w komórce elementarnej nanorurki (dla fotelowych i zygzakowatych od średnicy) odpowiada liczbie pasm 1D,

jeśli linie K 2 przechodzą przez punkt styku pasm grafenu to nanorurka będzie metaliczna jest tak dla wszystkich fotelowych. oraz dla tych zygzakowatych, dla których n jest wielokrotnością 3. w ogolności zawsze gdy (n-m)=3l (a) (b) przy rosnącej średnicy CN widmo energii zaczyna przypominać widmo grafenowe zrzutowane na W-W dla nanorurek typu zygzak wygląda to jak w (b) a dla nanorurek chiralnych:

Jak to wygląda w metodzie TB Dla nanorurek fotelowych i typu zygzak można dostać analityczne wzory na energie pasm, wykorzystując warunki graniczne (w IBZ K 2 ) i powtarzalności dla wektora falowego (K 1 ), do wzoru na pasma grafenu: [ q = μ ]

Obliczenia dla dowolnej struktury periodycznej: - wydzielić komórkę elementarną, - wyznaczyć komórki sąsiednie (lewa i prawa) budowa macierzy hamiltonianu TB - połączenia wewnątrz komórki t - połączenia węzłów między komórkami t e ±ikd, d długość komórki, k [0, /d] lub t e ±ik, k [0, ] - połączenia jednocześnie wewnętrzne i między komórkami (1+t) e ±ik Wstęgi grafenowe każdą, periodyczną wstęgę grafenową można jednoznacznie zdefiniować przez podanie: (-) wektora translacji definiującego długość komórki elementarnej wstęgi (-) wektora szerokości wstęgi gdzie H to najkrótszy wektor (węzeł - węzeł tej samej podsieci) prostopadły do T, w ogólności N nie musi być całkowite (-) szczegółów (kształtu) brzegu(ów) TxW komórka elementarna wstęgi, widma energii wstęg z brzegiem fotelowym

widma energii wstęg z brzegami zygzak zauważmy podobieństwa vice-versa do widm nanorurek Skąd się bierze płaskie pasmo energii E=0 (Fermiego) we wstęgach zygzakowatych? - NIE z niewysyconych wiązań tworzonych ze hybrydyzowanych orbitali sp2 (nie ma ich w rachunku TB -elektronowym, poza tym mają energie ok. -2eV) jego (ich - dwa brzegi) istnienie można wyjaśnić post-factum macierz TB jest w zasadzie trójdiagonlna (zero na diagonalii gdy położymy =0) i-ty węzeł wiąże się przez t tylko maksymalnie z 3-ma innymi węzłami istnienie E=0 (~ niezależnego of k) skutkuje i=1 c i = 0 można sprawdzić jak dla ZGNR musi zachowywać się funkcja TB (wektor wag na węzłach) dla takiego warunku 3

z warunkiem periodyczności natomiast w głąb wstęgi oczywiście dotyczy to węzłów jednej podsieci (let say A) tej do której należą węzły brzegowe; pamiętając, że widmo najwęższej wstęgi zygzak jest

to płaskie widmo na poziomie Fermiego ma fundamentalne znaczenie dla właściwości magnetycznych wstęg jest w połowie obsadzone reguła Hunda w stanie podstawowym spiny ułożone równolegle rezultat jednej podsieci na brzegu