بررسی ویژگی ساختاری و الکترونی گرافن دولایه پیچ خورده با ناخالصی مس به عنوان حسگر اکسیژن

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 گروه فیزیک، دانشکده علوم پایه، دانشگاه ملایر، ملایر، ایران

2 گروه فیزیک، دانشکده علوم پایه، دانشگاه ملایر، ملایر، ایران.

چکیده

گرافن دو لایه پیچ­خورده هنگامی تشکیل می­ شود که دو لایه گرافن در یک زاویه کوچک پیچ­ خورده باشند. در این مقاله ساختار الکترونی، مکانیسم جذب، چگالی حالات الکترونی، چگالی حالات جزئی، فرایند انتقال بار، ساختار نواری و زمان بازیابی گرافن دو لایه پیچ­خورده با و بدون ناخالصی مس برای شناسایی اکسیژن مورد بررسی قرار گرفته است. تغییرات انرژی، انرژی جذب، افزایش سطح زیر نمودارهای چگالی حالات الکترونی موید افزایش ویژگی حسگری گرافن دو لایه پیچ­ خورده با ناخالصی مس است. همچنین، نتایج نشان داد  نیم­ رسانای گرافن دو لایه پیچ ­خورده با ناخالصی مس با جذب اکسیژن ویژگی رسانایی پیدا می­ کند. از سوی دیگر، نتایج محاسبه شده برای زمان بازیابی گرافن دو لایه پیچ­ خورده با ناخالصی مس نشان می­ دهد، جذب اکسیژن بر این ساختار ثبات بیشتری در مقایسه با گرافن دو لایه پیچ­ خورده دارد. بر این اساس ترکیب گرافن دو لایه پیچ­ خورده با ناخالصی مس برای کاربردهای حسگری در دماهای بالاتر از دمای اتاق و گرافن دو لایه پیچ­ خورده در دماهای کمتر از دمای اتاق معرفی می ­شوند. دمای کاری حسگر اکسیژن برای گرافن دو لایه پیچ خورده 60 کلوین با زمان کاری 28 ثانیه و برای گرافن دو لایه پیچ خورده با ناخالصی مس1600 کلوین با زمان کاری 118 ثانیه بدست آمد

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Investigation of Structural, Electronic Properties of Cu-doped twisted bilayer graphene as Oxygen sensor

نویسندگان [English]

  • Hossein Rakhshbahar 1
  • Ebrahim Mohammadi-Manesh 2
1 Department of Physics, Faculty of Science, Malayer University, Malayer, Iran
2 Department of Physics, Faculty of Science, Malayer University, Malayer, Iran
چکیده [English]

Abstract: Twisted Bilayer Graphene (TBLG) is formed when two layers of graphene are twisted at a small angle. In this paper, the electrical structure, adsorption mechanism, density of states (DOS), partial density of states (PDOS), charge transfer process, band structure and TBLG recovery time with and without copper impurities have been investigated to identify oxygen. Changes in Fermi energy, adsorption energy, increase in the area under the DOS confirm the increase in sensory properties of Cu-doped TBLG . The results also showed that Cu-doped TBLG semiconductor acquires conductive properties by adsorbing oxygen. On the other hand, the calculated results for Cu-doped TBLG recovery time show that oxygen adsorption on this structure is more stable compared to TBLG. Accordingly, the Cu-doped TBLG compound for sensor applications at temperatures above room temperature and TBLG at temperatures below room temperature are introduced. The working temperature of the oxygen sensor was 60 K for TBLG with a working time of 28 S and 1600 K for the Cu-doped TBLG with a working time of 118 S.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Copper
  • Density Functional Theory (DFT)
  • Oxygen
  • Twisted bilayer graphene
 
[1] J. Sarabadani, A. Naji, R. Asgari, R. Podgornik, “Many-body effects in the van der Waals–Casimir interaction between graphene layers,” Physical Review B, 84, 155407, 2011.
[2] L.Huang, “Van Der Waals Stacking of Two-Dimensional Materials,” Cornell University, 2017.
[3] M. Junaid, W. Gunawan, “Analysis of band gap in AA and Ab stacked bilayer graphene by Hamiltonian tight binding method, ” 2019 IEEE International Conference on Sensors and Nanotechnology. IEEE, 2019.
[4] J. L. Dos Santos, N. M. R Peres, A. C. Neto, “Graphene bilayer with a twist: Electronic structure,” Physical review letters, 99, 256802,  2007.
[5] S. Lisi, X. Lu, T. Benschop, T. de Jong, P. Stepanov, J. Duran, F. Margot, I. Cucchi, E. Cappelli, A. Hunter, “ Observation of flat bands in twisted bilayer graphene,” Nature Physics, 17, 189-193, 2021.
[6]L. Sun, Z. Wang, Y. Wang, L. Zhao, Y. Li, B. Chen, S. Huang, S. Zhang, W. Wang, D. Pei ,F. Hongwei, S. Zhong, H. Liu, J. Zhang, L. Tong, Y. Chen, Z. Li, M. Rümmeli, K. Novoselov, H. Peng, L. Lin, Z. Liu, “Hetero-site nucleation for growing twisted bilayer graphene with a wide range of twist angles, ”  Nature Communications, 12, 1-8, 2021.
[7] A. Scarcello, F. Alessandro, M. Polanco, C. Gomez, D. Perez, E. Curcio, L. Caputi, “Evidence of massless Dirac fermions in graphitic shells encapsulating hollow iron microparticles,” Applied Surface Science, 546, 149103, 2021.
[8] P. Novelli, I. Torre, F. Koppens, F. Taddei, M. Polini, “Optical and plasmonic properties of twisted bilayer graphene: Impact of interlayer tunneling asymmetry and ground-state charge inhomogeneity, ” Physical Review B, 102, 125403, 2020.
[9] F. Yang, B. Song, “Near-field thermal transport between twisted bilayer graphene,” arXiv preprint arXiv:2103.00477, 2021.
[10]  I. Torre, D. Barcons-Ruiz, H. Herzig-Sheinfux, K. Watanabe, T. Taniguchi, R. Krishna Kumar, F. Koppens, “Nano-imaging photoresponse in a moiré unit cell,” Nature Communications, 12, 1640, 2021.
[11] S. Lisi, X. LU, T. Benschop, T. de Jong, P. Stepanov, J. Duran, F. Margot, I. Cucchi, E. Cappelli, A. Hunter, “Observation of flat bands in twisted bilayer graphene,” Nature Physics, 17, 189-193, 2021.
[12] A. Sharpe, E. Fox, A. Barnard, J. Finney, K. Watanabe, T. Taniguchi, M. Kastner, D. Goldhaber-Gordon, “Emergent ferromagnetism near three-quarters filling in twisted bilayer graphene,” Science, 365, 605-608, 2019.
[13] Y. Saito, J. Ge, K. Watanabe, T. Taniguchi, A. Young, “Independent superconductors and correlated insulators in twisted bilayer graphene,” Nature Physics, 16, 926-930, 2020.
[14] J. Yin, “Selectively enhanced photocurrent generation in twisted bilayer graphene with van Hove singularity,” Nature communications, 7, 1-8, 2016.
[15] L. Brown, R. Hovden, P. Huang, M. Wojcik, D. Muller, J. Park, “Twinning and twisting of tri-and bilayer graphene,” Nano letters, 12, 1609-1615, 2012.
[16] F. Müller-Plathe, “A simple nonequilibrium molecular dynamics method for calculating the thermal conductivity,” The Journal of chemical physics, 106, 6082-6085, 1997.
[17] C. Kane, J. Moore, “ Topological insulators,” Physics World, 24, 32, 2011.
[18] M. Park, Y. Kim, G. Cho, S. Lee, “Higher-order topological insulator in twisted bilayer graphene,” Physical review letters, 123, 216803, 2019.
[19] S. Varghese, S. Lonkar, K. Singh, S. Swaminathan, A. Abdala, “Recent advances in graphene based gas sensors,” Sensors and Actuators B: Chemical, 218, 160-183, 2015.
[20] H. Terrones, R. Lv, M. Terrones, M. Dresselhaus, “The role of defects and doping in 2D graphene sheets and 1D nanoribbons,” Reports on Progress in Physics, 75, 062501, 2012.
[21] D. Düzenli,  “A comparative density functional study of hydrogen peroxide adsorption and activation on the graphene surface doped with N, B, S, Pd, Pt, Au, Ag, and Cu atoms.”  Physical Chemistry C, 120, 20149-20157, 2016.
[22] E. Mohammadi-Manesh,  M. Vaezzadeh,  M. Saeidi, “Cu-and CuO-decorated graphene as a nanosensor for H2S detection at room temperature,”  Surface Science,  636, 36-41, 2015.
[23] P. Giannozzi, S. Baroni, N. Bonini, M. Calandra, R. Car, C. Cavazzoni, R. Wentzcovitch, “QUANTUM ESPRESSO: a modular and open-source software project for quantum simulations of materials,”  Condensed matter, 21, 395502, 2009.
[24] H. Monkhorst, J. Pack, “Special points for Brillouin-zone integrations,”  Physical review B, 13, 5188, 1976.
[25]G. Trambly de Laissardière, D. Mayou, L.  Magaud, “Localization of Dirac electrons in rotated graphene bilayers,” Nano letters, 10, 804-808, 2010.
[26] E. Mele, “Interlayer coupling in rotationally faulted multilayer graphenes,” Applied Physics, 45, 154004, 2012.
[27]  A. Roy, P.  Hridis K, “Tetrahedral bonding in twisted bilayer graphene by carbon intercalation,” The European Physical Journal B, 90, 1-6, 2017.
[28] A. Gaiardo, P. Bellutti, B. Fabbri, S. Gherardi, A. Giberti, V. Guidi,G. Zonta,  “Chemoresistive gas sensor based on SiC thick film: possible distinctive sensing properties between H2S and SO2,” Procedia Engineering, 168, 276-279, 2016.