Ch120a Fall 2008 Lecture - California Institute of...

15
MATERIALS AND PROCESS SIMULATION CENTER, CALIFORNIA INSTITUTE OF TECHNOLOGY,PASADENA, CA 91125 Ch120a Fall 2008 Lecture

Transcript of Ch120a Fall 2008 Lecture - California Institute of...

MATERIALS AND PROCESS SIMULATIONCENTER,CALIFORNIA INSTITUTE OFTECHNOLOGY, PASADENA, CA 91125

Ch120a Fall 2008 Lecture

TODA. PASCAL MSC, CALTECH

Recap

Ground state of Carbon

Ethane 

DiamondDiamond

C  C multi bondsC –C multi‐bonds

Ethylene

Benzene

Can form periodic systems with carbons with 1200 bond angles

TODA. PASCAL MSC, CALTECH

1Πu

TODA. PASCAL MSC, CALTECH

1Πu

C3 C4

C5 C6Circum‐coronene

TODA. PASCAL MSC, CALTECH

In Short Graphene is a sheet of carbon (monolayer of graphite), just one 

atom thick Atomically thin zero‐gap semiconductor with linear dispersion  Atomically thin zero gap semiconductor with linear dispersion 

of conduction and valence band electrons Already used to test predictions of relativistic quantum 

mechanics, graphene is showing promise in a diverse range of applications such as sensors, transistors and batteries

Chemically modifying graphene could tailor its electrical y y g g pproperties, or help it to form strong composites

Curling, rolling and stacking can turn grapheneinto buckyballs, nanotubes ‐ and graphitey , g p

TODA. PASCAL MSC, CALTECH

Wallace  Phys  Rev  71  622 (1947)Wallace, Phys. Rev. 71, 622 (1947)

Graphene‐based field‐effect transistor: GraFET

Geim and Novoselov, Nature Mat. 6, 183 (2007)

TODA. PASCAL MSC, CALTECH

30

40

/mol)

0

10

20

6ng ene

rgy (kca

l/

be

XYG_be

Be_cp

avg be

‐30

‐20

‐10 2.5 3.5 4.5 5.5 6.5 7.5

Bindin

Plane‐Plane separation (Å)

avg_be

Counterpoise calculation with Jaguar v7: M‐06 2X/6‐311G**+

a e a e sepa at o ( )

M 06 2X/6 311G + Ultra fine grids and SCF accuracy = accurate BE = Dimer – (A + B) BE(cp) = BE – cp corrections

▪ (A_cp –A_no_cp) + (B_cp – B_no_cp)Di l   ll l  h t   Å    Å Displace parallel coronene sheets: 2.73Å ‐> 7.03Å Calculate singlepoint of dimer Calculate A_cp/B_cp to obtain CP corrections Average B.E = 0.5 (BE + BE(cp))

TODA. PASCAL MSC, CALTECH

‐3‐2.2‐1.4‐0.6

0.21

1.82.6

‐12

‐3

‐2.7

‐2.4

‐2.1

‐1.8 1.5

1.2

0.9

0.6 .3 0 3 6 9 2 3

‐14

‐13

‐ ‐ ‐ ‐ ‐ 1 ‐0 ‐0 ‐0 0. 0.6

0.9

1.2

1.5

1.8

2.1

2.4

2.7 3

‐13‐‐12

‐15

‐14‐‐13

‐15‐‐14

‐16‐‐15

‐17‐‐16

‐17

‐16 ‐18‐‐17

6 minima found on PES

‐18

Y = 0, x = ± 1.3; y = ± 1.7, x = ± 2.3 Minima = 19.3 kcal/mol Barrier: 6.3 kcal/mol

TODA. PASCAL MSC, CALTECH

TODA. PASCAL MSC, CALTECH

“Discovered” by Iijima(1991)/Smalley (1993)

Can be metallic/semi‐ Can be metallic/semi‐conducting

Arm chair/zig‐zag/chiral Single walled (SWNT) or 

multi‐walled (MWNT) Synthesized by several 

methods Arc discharge Laser furnace

Ch i l   

STM images of carbon nanotubesT.W. Odom, J.‐L. Huang, P.Kim, C.Lieber, N t    ( 8) Chemical vapor 

depositionNature 391 (1998)

TODA. PASCAL MSC, CALTECH

TODA. PASCAL MSC, CALTECH

The structure of SWNT can be represented based on 2D graphene lattice.

OA and OB define the chiral  OA and OB define the chiral vector Ch and the translational vector T of the nanotube.

The rectangle OAB'B defines the unit cell for the 

Ch = na1 + ma2 = (n,m)

nanotubes. 

The chiral angle θ defined as

with 0<θ<300

The diameter of the carbon nanotube, dt

TODA. PASCAL MSC, CALTECH

SWNT exhibits either metallic or semiconductor properties depending only on  SWNT exhibits either metallic or semiconductor properties depending only on tube diameter and chiral angle.

The metallic conduction occurs whenn – m = 3q

All armchair nanotubes are expected to be metallic, while one‐third of zigzag and p , g gchiral nanotube should be metallic, with the remainder being semiconducting.

TODA. PASCAL MSC, CALTECH

For SWNT, cyclic or periodic boundary condition in the rolling direction  only t t    th   d li  i  th  states on the red lines in the 2D BZ can exist. (k=2Nπ/R)

If K points are on the lines mod(n‐m)≡n‐m‐(interger)=0 no energy gap

lli   b metallic nanotubes If K points are not on the 

lines mod(n‐m)=1 or 2 energy gap appears

i d ti   semiconducting nanotubes

TODA. PASCAL MSC, CALTECH

Diameter dependence: Smaller diameter, larger Eii, g ii

n‐m (chiral angle) dependence: Semiconducting:▪ Eiimod(n‐m,3)=1 < Eiimod(n‐m,3)=2 , i = odd integer.g

▪ Eiimod(n‐m,3)=1 > Eiimod(n‐m,3)=2 , i = even integer.

▪ Differences increase with n‐m value.Differences increase with n m value.

Metallic:▪ Degeneracy with n‐m=0. Peak splitting increases with n msplitting increases with n‐m.