SUPERVISOR
Farhad Shahbazi,Ali akbar Babaeibrojeny
فرهاد شهبازی دستجرده (استاد راهنما) علی اکبر بابائی بروجنی (استاد مشاور)
STUDENT
Mohsen Mirvalipuor
محسن میرولی پور
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده فیزیک
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1388
TITLE
Study of Graphene Carbon Nano Structure, Zigzag and Armchair Graphene Nano-Ribbons Under the Harper Quasi-Periodic potential
The material structures in nature are so various. Some of the structures are regular and some else show interesting characteristics. There are Special types of structures that have interesting features due to existence irrational periodicity. These structures of regularities are called incommensurate systems. There are different models to investigate the effect of incommensurable potentials in different structures. Since the tight-binding model is a suitable model for study of the electronic properties of materials, therefore we consider it in our work. The Harper model is a form of tight-binding model that incorporates quasi-periodic potential. This model explains the sinusoidal potential network with a quasi-periodic frequency that influenced by the substrate potentials. The quasi-periodic potential can be produced in real systems as the mismatch of a two-dimensional (2D) layer with the underlying sublattice. Therefore we use the Harper potential for investigating the quasi-periodic potential on honeycomb lattice of Graphene and Nano-ribbons. In this thesis we investigate the localization transition in Graphene Nano-ribbons (GNRs) and two dimensional Graphene under the quasi-Periodic potential with Harper model. We compare Geometrical averaging of locale density of states with arithmetic averaging as a criterion for localization transition. We do it by exact diagonalization method using the LAPACK library functions. The results of this calculation method support also the results calculated in one-dimensional systems. The Inverse Participation Ratio (IPR) is another way to achieve the results. We reviewed it for one-dimensional systems in the states (considering the degenerate) at Fermi Energy. We find that it is completely consistent with the results the other methods. We also computed the IPR in the states of corresponding to the Fermi Energy in zGNRs and aGNRs to find the localization transition. The electronic properties of Nano-ribbons are strongly dependent on their width. So we consider a given Nanoribbon in the width specified under the Harper model and the same work was repeated for ribbons with different widths. These results show that there is a threshold for intensity of Harper potential in which all states around Fermi Energy are localized. In the zGNRs, which are metallic in the normal conditions, the threshold amplitude for the localization transition increase with increasing ribbon width, but it is exactly like to the one-dimensional systems in low widths. The same results obtained in narrow aGNRs which are metallic. However, the localization threshold for both of metallic ribbons increases with increasing width them. We also find that the application of quasi-periodic potential on semiconductor armchair ribbons leads to decrease of its gap. We have also calculated the Geometric mean (Gm) for local density of states and the Arithmetic mean (Am) for those in the Graphene, and the result was so interesting. Graphene as a purely two-dimensional material has a behavior similar to other materials when it is under the Harper potentials. Then it has localization phase like to metallic aGNRs and zGNRs and another materials such as one-dimensional systems in Harper model. For 2D Graphene, The localization threshold amplitude is more than these at metallic aGNRs, zGNRs and one-dimension systems. Keywords Graphene, Nano-ribbons, Harper model, Quasi-periodic, Inverse participation ratio, Local Density of State, Localization
ساختارهای موجود در طبیعت تنوع بسیاری دارند. برخی از ساختارها منظم و برخی دیگر تحت یک نظم ویژه و کاملاً متفاوت، ناشی از وجود اعداد گنگ، ویژگیهای جالبی از خود نشان میدهند. گوشهای از این ساختارها تحت عنوان سیستمهای ناسازگار بررسی میشوند. مدلهای متفاوت بسیاری وجود دارد، که هرکدام بهگونهای اثر وجود پتانسیلهای ناسازگار را در ساختارهای مختلف بررسی میکنند. در این میان یکی از راههای بررسی سیستمهای ناسازگار و یا ناسازگاری مد نوسانی پتانسیل شبکه با بلور زیرلایه بهکارگیری مدل هارپر در قالب مدل تنگابست میباشد. مطالعهی گذار جایگزیدگی در سیستمهای مختلف موضوع مهمّی در بررسی خواصّ الکترونی یک مادّه بهشمار میرود. بنابراین مدلی که میتوان با آن برخی خواص الکترونی مواد تحت ناسازگاریهای شبکهای زیرلایه را بررسی کرد مدل هارپر میباشد. این مدل پتانسیل سینوسی شبکه را تحت تأثیر پتانسیل زیرلایه با فرکانسی شبهتناوبی بیان میکند. از این رو ما در بررسی خود از مدل هارپر استفاده کردهایم. از روشهای مختلفی میتوان برای توصیف گذار استفاده کرد. از این شیوهها میتوان از بهکارگیری میانگین چگالی حالتهای موضعی و همچنین محاسبهی نسبت عکس مشارکت ترازها را نامبرد. در این رساله با محاسبهی میانگین هندسی و حسابی چگالی حالتهای موضعی و نسبت عکس مشارکت تراز مربوط به انرژی فرمی سعی بر آن داشتیم که گذار جایگزیده در نانوروبانهای گرافینی و گرافین دوبعدی را تحت پتانسیل شبه تناوبی هارپر مورد بررسی قرار دهیم. محاسبات مربوط به این دو روش را به شیوهی قطری سازی دقیق و استفاده از توابع کتابخانهای لپک انجام دادهایم. از آنجاییکه نانوروبانهای مختلف با پهنای N خواصّ الکترونیکی متفاوتی دارند، این محاسات را برای نانوروبان با پهنای مشخص تحت پتانسیل هارپر انجام داده و نتایج آن را با حالت قبلی (بدون پتانسیل هارپر) مقایسه میکنیم و سپس همین کار را برای روبانهای دیگر تکرار میکنیم تا نحوهی رفتار آنها را بررس نماییم. نتایج بدست آمده با این روش محاسبه، ضمن تأیید نتایجی که از قبل، توسط دیگران بدست آمده، در مورد سیستم یکبعدی از اتمها تحت پتانسیل هارپر، حاکی از وجود دامنهی آستانهی شدّت پتانسیل در نانوروبانهای گرافینی و ساختار دوبعدی گرافین تحت این پتانسیل شبهتناوبی است. و نشان دادهایم که نانوروبانهای گرافینی وگرافین، بهعنوان موجود کاملاً دوبعدی، تحت این پتانسیل شبهتناوبی دارای فاز جایگزیده هستند. در نانوروبانهای زیگراگ، که در حالت معمول فلز هستند، با افزایش پهنای روبان دامنهی آستانهی پتانسیل برای گذار جایگزیده افزایش مییابد امّا در پهناهای کم این آستانه دقیقاً شبیه سیستم یکبعدی میباشد. در مورد روبانهای دسته صندلی کم پهنای فلزی (پهنایی که در آن روبان دسته صندلی خاصیّت فلزی دارد) نیز آستانهی تحریکپذیری مانند سیستم یکبعدی میباشد. در هر صورت آستانهی جایگزیده شدن ویژهحالتهای حول انرژی فرمی برای هردو دسته از روبانهای فلزی، با افزایش پهنا افزایش مییابد. همچنین بررسی مربوط به گرافین را نیز با محاسبه و مقایسهی میانگین هندسی و حسابی چگالی حالتهای موضعی با استفاده از توابع کتابخانهای لپک انجام دادهایم. نتایج بدست آمده نشانگر این است که گرافین، تحت پتانسیل شبهتناوبی هارپر رفتاری مشابه و البته کمی متفاوت با نانوروبانها و دیگر ساختارهای یکبعدی از خود نشان میدهد. بنابراین گرافین نیز تحت چنین وضعیتی دارای فاز جایگزیده میباشد. کلمات کلیدی: شبه تناوبی- چگالی حالت موضعی- مدل تنگابست-شبهبلور-نسبت عکس مشارکت-نانوروبان گرافینی-توابع کتابخانهای لپک-جایگزیدگی.