Pochopení interakce přechodných kovů s defektivním grafenem pomocí DFT

Jan NAVRÁTIL

Bachelor's thesis

Insights into the interaction of transition metal atoms with defective graphene from DFT

Abstract:

Single atom data storage and single atom heterogenous catalysis need for proper function specific position that thoroughly holds the concerned "active" atoms and prevents them from clustering. Presented theoretical thesis shows that adsorption of selected transition metal atoms (Fe, Co, Ni, Ru, Rh, Pd, Os, Ir, Pt) to defects in defective graphene (single vacancy, single vacancy decorated by pyridinic nitrogen atoms, divacancy, divacancy decorated by pyridinic nitrogen atoms) is energetically favourable, in many cases the binding is stronger than 5 eV. While Pt atoms at pristine graphene are rather mobile, vacancies anchor the adatom rather strongly, compared to the positions farther from the defect. Structural, electronic and magnetic properties were thoroughly analysed. Trends in the calculated characteristics were inspected and correlation with adsorption energy was evaluated. Relativistic non-collinear calculations showed remarkable magnetic anisotropy energy of IrDVG (~ 7 meV) with easy axis perpendicular to graphene plane. Contrary to this, magnetic axis perpendicular to the graphene plane of IrSVNG is disfavoured by ~ 10 meV in comparison with easy magnetic axis parallel to the graphene layer. Properties of both systems are discussed based on the relativistic electronic structures.

Abstract:

Techniky uchování dat pomocí jednotlivých atomů a katalýza pomocí samostatných atomů pro správnou funkci potřebují specifickou pozici, která by pevně uchytila "aktivní" atomy a zabránila jim ve shlukování. Tato teoretická bakalářská práce ukazuje, že adsorpce vybraných atomů přechodných kovů (Fe, Co, Ni, Ru, Rh, Pd, Os, Ir, Pt) do defektů v defektivním grafenu (jedna vakance, jedna vakance dekorovaná pyridinickými dusíky, dvojvakance, dvojvakance dekorovaná pyridinickými dusíky) je energeticky výhodná, ve spoustě případů byla vazba silnější než 5 eV. Zatímco atomy Pt jsou na čistém grafenu poměrně mobilní, vakance ukotvují adatom silněji než pozice vzdálenější od defektu. Strukturní, elektronické a magnetické vlastnosti byly pečlivě analyzovány. Trendy ve vypočtených charakteristikách byly prozkoumány a byla vypočtena jejich korelace s adsorpční energií. Relativistické nekolineární kalkulace ukázaly významné hodnoty magnetické anizotropní energie IrDVG (~ 7 meV) s jednoduchou osou magnetizace kolmou na rovinu grafenu. Opačným případem je IrSVNG, kde je jednoduchá osa paralelní s rovinou grafenu oproti ose kolmé na rovinu grafenu preferována o ~ 10 meV. Vlastnosti obou systémů jsou diskutovány na základě relativistických elektronických struktur.

Keywords

grafen, defektivní grafen, grafen s vakancemi, pyridinický dusík, atomy přechodných kovů, katalýza pomocí samostatných atomů, uchování dat pomocí samostatných atomů, adsorpční energie, DOS, Baderovy náboje, MAE, SOC, DFT

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 6. 5. 2019

Thesis defence

• Supervisor: Piotr Blonski, Ph.D.

Palacký University Olomouc

Faculty of Science

Bachelor programme / field:
Chemistry / Nanomaterial Chemistry