Θεωρητική Μελέτη Της Ανάπτυξης Και Των Ιδιοτήτων Του Γραφενίου, Χαλκογενιδίων Μετάλλων Και Συναφών Υπέρλεπτων Νανοϋλικών

Abstract

Στην παρούσα διατριβή μελετήθηκαν, με χρήση της Θεωρίας Συναρτησιοειδούς της Πυκνότητας, οι βασικές ιδιότητες ορισμένων γνωστών διδιάστατων (2D) υλικών, η σταθερότητα νέων 2D κρυστάλλων και αναζητήθηκαν νέοι πιθανοί τρόποι μεταφοράς των νανοϋλικών από ένα υπόστρωμα σύνθεσης σε υπόστρωμα διάταξης. Εξετάστηκε το γραφένιο, διδιάστατες δομές πυριτίου και γερμανίου (με και χωρίς χημική τροποποίηση) και χαλκογενίδια μετάλλων.Το πυρίτιο (Si) και το γερμάνιο (Ge) ανήκουν στους ημιαγωγούς της ομάδας IV του περιοδικού πίνακα και υπήρξαν από τα πρώτα στοιχεία για τα οποία αναζητήθηκαν διδιάστατες διατάξεις παρόμοιες με το γραφένιο. Στα πλαίσια της διατριβής μελετήθηκαν αυτές οι δομές, γνωστές ως σιλισένιο και γερμανένιο, σε σχέση με την σταθερότητα, τις ιδιότητες και την σύνθεση τους. Προκύπτει ότι το Si και το Ge στις δύο διαστάσεις είναι πιο σταθερά σε πολύμορφα τα οποία διαφέρουν από την δομή κηρήθρας του γραφενίου.Εντούτοις, το σιλισένιο και το γερμανένιο μπορούν να καταστευαστούν μέσω επιταξιακής εναπόθεσης σε κατάλληλα υποστρώματα. Ωστόσο, οι δομές που παρατηρούνταν από ανεξάρτητες ερευνητικές ομάδες εμφάνιζαν διαφορετική μορφολογία από ό,τι οι ελεύθερες μεμβράνες. Στην παρούσα διατριβή προσομοιώθηκαν επιστρώσεις σιλισενίου πάνω σε επιφάνειες αργύρου και ιριδίου και βρέθηκε ότι η σταδιακή εναπόθεση ατόμων πυριτίου οδηγεί στην ανάπτυξη ενιαίων μονοατομικών υμενίων. Ο πολυμορφισμός στα πειράματα εξηγείται λόγω της ελαστικότητας της μεμβράνης σιλισενίου, η οποία επιτρέπει να σχηματιστούν δομές κηρήθρας με διαφορετική πυκνότητα ατόμων πυριτίου. Με περαιτέρω μοντελοποίηση προβλέπεται ότι η υδρογόνωση και η χημική παρεμβολή με ασβέστιο μπορεί να προκαλέσει αποκόλληση του σιλισενίου από την επιφάνεια του αργύρου, κάτι που μπορεί να βοηθήσει στην μεταφορά του υλικού από το υπόστρωμα ανάπτυξης σε μία συσκευή.Ένας άλλος τρόπος σταθεροποίησης του Si και του Ge σε διδιάστατες μορφές είναι η χημική τροποποίηση. Στην διατριβή μελετήθηκαν τα υδρογονωμένα φύλλα SiH και GeH τα οποία μπορούν να υπάρξουν ως ελεύθερες μεμβράνες σε διαφορετικές παραλλαγές. Προκύπτει ότι οι μεμβράνες αυτές μπορούν να απορροφήσουν μεγάλη μονοαξονική συμπίεση και πως, υπό τις κατάλληλες συνθήκες, δημιουργούνται υπερδομές με ενδιαφέρουσα μορφολογία και ηλεκτρονικές ιδιότητες. Εκτός των υδρογονωμένων υμενίων, αναδεικνύεται ότι μέσω αντιδράσεων ενός κρυστάλλου CaSi2 με ένα διάλυμα ιωδίου σε ακετονιτρίλιο, μπορούν να προκύψουν σταθερά διδιάστατα παράγωγα πυριτίου, χημικά τροποποιημένα είτε με ιώδιο είτε με ακετονιτρίλιο. Μάλιστα, στην περίπτωση του ακετονιτριλίου, η δομή προβλέπεται ότι είναι οιονεί μονοδιάστατη, καθώς αποτελείται από αλυσίδες ατόμων Si που σταθεροποιούνται μέσω χημικών δεσμών με άτομα αζώτου, κάτι που δεν έχει αναφερθεί σε προηγούμενες μελέτες.Μία άλλη σημαντική ομάδα διδιάστατων υλικών αποτελούν τα διχαλκογενίδια μετάλλων μετάπτωσης (TMDC), τα οποία είναι γνωστό ότι μπορούν να βρεθούν σε διαφορετικά πολύμορφα ανάλογα με την διάταξη των χαλκογόνων ατόμων στον κρύσταλλο. Σε αυτή την διατριβή, χρησιμοποιώντας ως βάση αυτά τα πολύμορφα, βρέθηκε ότι οι ενώσεις με χημικούς τύπους Mo(SCN)2, Mo(SeCN)2, W(SCN)2 και W(SeCN)2 μπορούν να σταθεροποιηθούν σε παρόμοιες ημιαγώγιμες και μεταλλικές γεωμετρίες, ενθαρρύνοντας την αναζήτηση νέων διδιάστατων κρυστάλλων. Επιπλεόν, μελετήθηκε το 2D χαλκογενίδιο μετάλλου Bi2Se3 το οποίο έχει κεντρίσει το ερευνητικό ενδιαφέρον τα τελευταία χρόνια ως ένας εξαιρετικός τοπολογικός μονωτής. Συγκεκριμένα, διερευνήθηκε η ανάπτυξη κραμάτων Bi2Se(3-x)Sx και οι αλλαγές που επιφέρουν οι προσμίξεις ατόμων S στις δομικές και ηλεκτρονικές ιδιότητες του υλικόυ.Σε σχέση με την απαιτητική διαδικασία μεταφοράς των υλικών από ένα υπόστρωμα σύνθεσης σε υπόστρωμα διάταξης, η οποία πολλές φορές αλλοιώνει τις ιδιότητες των υμενίων, εξετάστηκε μία πρωτοποριακή ιδέα εκτύπωσης διδιάστατων υλικών με χρήση Laser. Η βασική ιδέα είναι ότι η ακτινοβόληση μίας επιφάνειας καλυμμένης με μία διδιάστατη μεμβράνη μπορεί να προκαλέσει την αποκόλληση ενός μέρους της μεμβράνης η οποία μεταφέρεται στο υπόστρωμα της συσκευής. Χρησιμοποιώντας προσομοιώσεις μοριακής δυναμικής από πρώτες αρχές, αναδεικνύεται ότι υπό κατάλληλες συνθήκες, οι οποίες αντιστοιχούν σε ένα εύρος ενέργειας για την εισερχόμενη ακτινοβολία, όλη η διαδικασία από την αποκόλληση έως την εκτύπωση επιτυγχάνεται χωρίς την αλλοίωση των ιδιοτήτων της μεμβράνης.