Ab initio modeling of graphène

• Auteur / Autrice : Philipp Wagner
• Direction : Christopher Ewels, Bernard Humbert
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique, Science des Matériaux
• Date : Soutenance en 2013
• Etablissement(s) : Nantes
• Partenaire(s) de recherche : Autre partenaire : Université de Nantes. Faculté des sciences et des techniques

Mots clés

Mots clés contrôlés

Élasticité

Nanorubans

Graphène

Nanotubes

Mots clés libres

Dft

Bords

Modélisation

Nanofeuillets

Résumé

Le travail de cette thèse porte sur l'étude du matériau graphène et de nanostructures dérivées, par modélisation ab initio. L'influence des terminaisons chimiques des bords du feuillet graphène (armchair, zigzag et Klein, en considérant aussi des reconstructions possible) a été étudiée. En l'absence de terminaisons, une nouvelle configuration stable «repliée» a été identifiée; qui correspond à la création de structure nanotube le long des bords du feuillet. Une étude des bords hydrogénés a été effectuée, qui montrait des nouvelles configurations de bords Klein reconstruites énergétiquement favorable. En outre, les bords hydrogénés joueront un rôle clef dans les processus de croissance du graphène, et d'éventuels modèles de croissance adaptés via l'addition des dimères de carbone sont proposés. Des terminaisons plus complexes sur des nanorubans de graphène de type armchair de 4 à 25 Å de largeur ont été modélisées également, par exemple impliquant -OH (hydroxyle). L'influence sur la structure et les propriétés électronique, chimique et mécaniques des nanorubans a été étudiée. Cette partie a conduit à rediscuter la notion de module de Young de nanofeuillets (graphène, BN, MoS2, MoTe2 etc. ). Notamment ce travail propose une définition de «volume à prendre en compte» sur la base d'une densité électronique moyenne. Cette nouvelle approche offre un cadre transférable sous-jacent pour calculer le module de Young, et donc de pouvoir extrapoler correctement les valeurs entre le graphène, des nanotubes de carbone et du graphite. Le concept a aussi été étendu à des polymères organiques.

In this thesis graphene and related nanostructures were studied, using density functional ab initio modelling techniques. The influence of different edge terminations has been investigated for typical pristine graphene edges (armchair, zigzag and Klein) and several reconstructed edge configurations. For unterminated graphene edges a new stable folded back edge has been identified, creating a nanotube along the graphene edge. A systematic study of hydrogenated edges was performed, and new favourable reconstructed Klein edge configurations were found. Furthermore hydrogenated edges are expected to play an important role for graphene growth processes, and thus possible adapted growth models via carbon dimer addition are proposed. Next more complex edge functionalisations such as hydroxylated (-OH) edges were studied, in particular modelling thin 4 - 25 Å wide armchair graphene nanoribbons. Notably the influence on structural, electronic, chemical and mechanical properties has been investigated. This promises new routes towards controlled design of specific nanoribbon properties. Finally the in-plane Young’s modulus of various nanosheets (including graphene, BN, MoS2, MoTe2 etc. ) were calculated. In this context a new geometry independent volume definition for nanoobjects has been developed, based on the average electron density. This new approach offers a transferable underlying framework to calculate the Young’s modulus, and thus values correctly extrapolate for example between graphene, carbon nanotubes and bulk graphite. The concept was further extended to organic polymers.