First-Principle Study of Electronic Properties of Ultrathin Layers
Loading...
Date
Authors
Nezval, David
ORCID
Advisor
Referee
Mark
P
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Vysoké učení technické v Brně. Fakulta strojního inženýrství
Abstract
Tato práce charakterizuje strukturní vlastnosti adsorbovaných atomů galia a molekul vody na grafenu. Zkoumá také změny elektronových vlastností grafenu způsobené adsorpcí jednotlivých adsorbentů. Výpočty pomocí teorie funkcionálu hustoty (DFT) jsou ideálním nástrojem pro zkoumání a vysvětlení fyzikálních a chemických procesů, které probíhají během adsorpce. Elektronové vlastnosti jsou studovány pomocí výpočtů pásové struktury a Baderovy analýzy náboje. Nedávná experimentální zjištění odhalila, že při nízké koncentraci atomy Ga dopují grafen elektrony (n-dopování). Tento dopovací efekt se snižuje při vyšších koncentracích Ga atomů, kdy dochází ke tvorbě klastrů. Tato práce představuje adsorpci jednotlivých atomů Ga a klastrů tvořených více atomy Ga. Zatímco jednotlivé atomy n-dopují grafen 0,64 elektrony, atomy vázané v klastrech na sebe vzájemně působí, a tím oslabují dopování grafenu. Tvorba klastrů je zásadně ovlivněna difuzí atomů Ga po povrchu grafenu. Proto je část práce věnována výpočtům energie difuzní bariéry a tomu, jak může být tato bariéra ovlivněna nabitím grafenu. Experimentální pozorování ukazují, že u grafenu jež je vystaven působení molekul vody, dochází k dopování kladnými nosiči náboje (p-dopování). Tato pozorování však nebyla podpořena výpočty DFT. Tato práce zkoumá vliv vícevrstvé vody na elektronové vlastnosti grafenu. Pozornost byla věnována ovlivňování dopování grafenu v závislosti na orientaci molekul vody v první vrstvě nejblíže grafenu. Prezentované výsledky ukazují p-dopování grafenu, když je 6 nebo více vrstev vody orientováno kyslíkem ke grafenu.
This work characterizes the structural properties of adsorbed gallium atoms and water molecules on graphene. It also investigates the changes in the electronic properties of graphene caused by the adsorption of each adsorbent. The density functional theory (DFT) calculations are the perfect tool to investigate and explain the physical and chemical processes that occur during adsorption. The electronic properties are studied using band structure calculations and the Bader charge analysis. Recent experimental findings have revealed that in low concentration the Ga atoms negatively dope (n-doping) graphene. This doping effect is reduced at higher Ga concentrations when the clustering of Ga atoms occurs. This work presents the adsorption of individual Ga atoms and the Ga clusters. While single atoms n-dopes graphene with 0.64 electrons, atoms bound in clusters interact with each other and thus weaken the doping of graphene. Cluster formation is fundamentally affected by the diffusion of Ga atoms over graphene. Therefore, a section is devoted here to calculations of the diffusion barrier energy and how this barrier can be affected by the charging of graphene. The experimental observations indicate positive doping (p-doping) of graphene exposed to water molecules. However, these observations were not supported by DFT calculations. This thesis investigates the effect of multilayer water on the electronic properties of graphene. Attention has been paid to the influence of the water molecule orientation in the first layer toward graphene on its doping properties. The presented results show p-doping of graphene when 6 or more layers of water are oriented by oxygen to graphene.
This work characterizes the structural properties of adsorbed gallium atoms and water molecules on graphene. It also investigates the changes in the electronic properties of graphene caused by the adsorption of each adsorbent. The density functional theory (DFT) calculations are the perfect tool to investigate and explain the physical and chemical processes that occur during adsorption. The electronic properties are studied using band structure calculations and the Bader charge analysis. Recent experimental findings have revealed that in low concentration the Ga atoms negatively dope (n-doping) graphene. This doping effect is reduced at higher Ga concentrations when the clustering of Ga atoms occurs. This work presents the adsorption of individual Ga atoms and the Ga clusters. While single atoms n-dopes graphene with 0.64 electrons, atoms bound in clusters interact with each other and thus weaken the doping of graphene. Cluster formation is fundamentally affected by the diffusion of Ga atoms over graphene. Therefore, a section is devoted here to calculations of the diffusion barrier energy and how this barrier can be affected by the charging of graphene. The experimental observations indicate positive doping (p-doping) of graphene exposed to water molecules. However, these observations were not supported by DFT calculations. This thesis investigates the effect of multilayer water on the electronic properties of graphene. Attention has been paid to the influence of the water molecule orientation in the first layer toward graphene on its doping properties. The presented results show p-doping of graphene when 6 or more layers of water are oriented by oxygen to graphene.
Description
Citation
NEZVAL, D. First-Principle Study of Electronic Properties of Ultrathin Layers [online]. Brno: Vysoké učení technické v Brně. Fakulta strojního inženýrství. 2024.
Document type
Document version
Date of access to the full text
Language of document
en
Study field
Fyzikální a materiálové inženýrství
Comittee
prof. RNDr. Jiří Spousta, Ph.D. (předseda)
Mgr. Martin Friák, Ph.D. (člen)
Rosa Maria Vazquez (člen)
prof. RNDr. Vladimír Čech, Ph.D. (člen)
prof. Mgr. Miroslav Černý, Ph.D. (člen)
doc. RNDr. Petr Mikulík, Ph.D. (člen)
Date of acceptance
2024-06-24
Defence
Výborná práce mezinárodně uznávané původní výsledky.
Result of defence
práce byla úspěšně obhájena
Document licence
Standardní licenční smlouva - přístup k plnému textu bez omezení