Computational investigation of electronic and optical properties of metal nano-clusters supported on n-doped bilayer graphene structures

Abstract

Grafen sıradışı özelliklere sahip olmasının yanı sıra nano-elektronikler, sensörler, kompozitler, piller, süper kapasitörler ve hidrojen depolama gibi uygulamalarda kullanılabilme potansiyeli ile son yıllarda yoğun ilgi görmektedir. Çift katmanlı grafen yapıları arasına interkale edilmiş Renyum, Tungsten ve Osmiyum metal nanokümeleri ve bu metallerin oksitlerinin elektronik ve optik özellikleri temel set denklemi kullanılarak ab-inito temel-set Yoğunluk Fonksiyon Teoremi (DFT) ile hesaplanarak incelenmiştir. Tüm grafen yapılarının DFT hesaplamaları ab-initio pseudo-potansiyel yaklaşımı ile genelleştirilmiş gradiyent yaklaşımına (GGA) dayanarak BPW91 temel set denklemi kullanılarak hesaplanmıştır. Sonrasında optimizasyonu yapılmış geçiş metali ile desteklenmiş çift katmanlı grafen yapıları azot ile katkılanarak değişen elektronik ve optik davranışları incelenmiştir. Yapılan analizler sonucunda metal katılmış çift katmanlı grafen yapılarının elektronik ve optik özelliklerinin yük transferi nedeniyle metalin ve katkılayıcının türüne bağlı olduğu görülmüştür. Grafen sistemlerinin azot ile katkılanması içerdiği fazladan bir elektron sebebi ile lokal elektron yoğunluğunda değişime sebep olmaktadır. Geçiş metallerinin grafen sistemlerinin arasına interkale edilmesi, bant boşluğunun azalmasına ve dolayısıyla iletkenlik özelliğinin artmasına sebep olmuşturtur. Bu çalışmada hesaplanan veriler, gelecekte katalitik hesaplamalara ve deneysel çalışmalara rehberlik niteliği taşımaktadır.

Graphene has attracted great interest in the last few years owing to its extraordinary properties with potential applications like nanoelectronics, batteries, and hydrogen storage. To investigate electronic and optical beaviours of some rare metal nanoclusters supported between bilayer graphene sheets, ab initio first principle Density Functional Theory (DFT) calculations were performed on Tungsten, Rhenium and Osmium nanoclusters and metal oxides of these transition metal structres supported between graphene layers. All of the first-principles DFT calculations were performed by using generalized gradient approximation (GGA) for the exchange–correlation interactions with BPW91 basis set for DFT with linear combination of atomic orbitals. The optimized geometries of metal and metal oxide inserted bilayer graphene structures were then analysed for investigation of electronic and optical properties with the change of nitrogen atom doping on graphene layers. It was concluded that the electronic and optical properties of metal inserted bilayer graphene structures are affected by the type of dopant and metal as a result of charge ransfer. Nitrogen doped graphene systems showed change in local density as a result of charge transfer due to its extra one electron. Intercalation of transition metal atoms lead to narrowing the band gap with an increase in conductor character. The data presented with this study can be used for further catalytic studies and guide the experimental studies.