La presentazione è in caricamento. Aspetta per favore

La presentazione è in caricamento. Aspetta per favore

Uso di calcoli quantochimici Density Functional Theory per lo studio di materiali di carbonio nanostrutturati Matteo Tommasini, E. Di Donato, C. Castiglioni,

Presentazioni simili


Presentazione sul tema: "Uso di calcoli quantochimici Density Functional Theory per lo studio di materiali di carbonio nanostrutturati Matteo Tommasini, E. Di Donato, C. Castiglioni,"— Transcript della presentazione:

1 Uso di calcoli quantochimici Density Functional Theory per lo studio di materiali di carbonio nanostrutturati Matteo Tommasini, E. Di Donato, C. Castiglioni, G. Zerbi Dipartimento di Chimica, Materiali e Ingegneria Chimica G. Natta Politecnico di Milano Piazza Leonardo da Vinci 32, Milano

2 DFT: concetti essenziali Lenergia di una molecola o di un solido è un funzionale universale della densità elettronica : La densità elettronica è esprimibile attraverso funzioni donda di particella singola (orbitali molecolari) i Ogni orbitale soddisfa lequazione di Schroedinger efficace:

3 Il potenziale efficace è dato dalla somma di tre contributi: v(r) è il potenziale esterno, ovvero il potenziale elettrostatico attrattivo generato dai nuclei atomici j(r) rappresenta la repulsione coulombiana elettrone-elettrone v xc (r) è il potenziale di scambio e correlazione, ha natura quantistica e non ha interpretazione classica

4 LASER campione detettore reticolo Schema concettuale dellesperimento Spettroscopia Raman vib Spettro Raman CCl 4 vib

5 Simulazione di spettri Raman (M -1 F) L k = L k k 2 Intensità del modo k : polarizzabilità e: campo elettrico M: masse atomiche k : frequenza modo k L k : autovettore modo k Matrice delle costanti di forza F Alla base: DFT E[] Spettro somma di lorenziane centrate su k e di area I k x i : coordinate cartesiane atomiche

6 Polyynes are present in interstellar dust and particulates Polyynes are intermediates in the initial stages of the formation of nanostructured carbon materials Polyyne ring nucleus growth model for single-layer carbon nanotubes, C.H. Kiang, W. A. Goddard, Phys. Rev. Lett., 76, 2515 (1996) Chem. Soc. Rev., 2001, 30, 177–185

7 Polyynes are dimerized linear chains (in Peierls terms) Equilibrium bond lengths of C 16 H 2 (BPW91/6-311G** computations )

8 C 8 H 2 : CC stretching high intensity Raman modes 2107 cm -1

9 allungamento di legame C C-C C 16 H 2 : CC stretching high intensity Raman mode

10 Let us first try to explain the experimental Raman spectrum C6 C8 C10 C12 C14 C16 … summing up each computed spectrum weighted according to the experimental distribution data First principles DFT BPW91/6-311G** wavenumbers (cm -1 ) Softening of the intense Raman peak as conjugation length increases

11 wavenumbers (cm -1 ) C6 C8 C10 C12 C14 C16 Simulation of the Raman response C8 C10 C8 C12 C14 C16 Sample: methanol solution of polyynes produced by Prof. F. Cataldo Distribution of lengths

12 CARBON MATERIALS disordered carbons graphitic – micro and nano crystalline graphites – carbon fibers – glassy carbon – porous graphites – carbon black mixed sp 2, sp 3, sp C atoms – amorphous carbons – diamond like carbons (DLC) fullerenes nanotubes D. Donadio, L. Colombo, P. Milani, G. Benedek, Phys. Rev. Lett., 83, (1999) Carbon nanotubes, M.S. Dresselhaus, G. Dresselhaus, Ph. Avouris (Eds.) Springer (2001) – fullerenes – nanotubes – amorphous carbons – carbon nanotubes – porous graphites – carbon fibers, amorphous carbons and DLC hard coatings APPLICATIONS electronics energy storage, batteries, sensors mechanical and tribological applications

13 THE MOLECULAR APPROACH 2D conjugated molecules Polycyclic Aromatic Hydrocarbons (PAHs)

14 Simulazione esperimenti STM (Scanning Tunneling Microscopy) attraverso la teoria di Tersoff-Hamann [1] segnale STM Densità di carica per lorbitale allenergia di Fermi [1]J. Tersoff, D. R. Hamann, Phys. Rev. Lett., 50, (1983). J. Tersoff, D. R. Hamann, Phys. Rev. B, 31, (1985). J. Tersoff, Phys. Rev. Lett., 57, (1986).

15 Scanning Tunneling Microscope Energy levels scheme tip Conductive substrate Molecular layer HOMO LUMO V tip V substrate V (-)(+) electron flow Depending on - relative position of the HOMO, LUMO, E F (tip), E F (substrate) - the sign and magnitude of V we can tunnel through the HOMO or the LUMO

16 OriginalFilteredZoom Alkyl-hexabenzocoronene STM THEORY (HOMO orbital) C42 STM on molecular layers: seeing molecular orbitals

17 THEORY HOMO Electron density map The densities coming from the two uppermost almost degenerate occupied levels have been summed up; E = 0.21 eV. C60 STM

18 HOMO LUMO C 42 H 18 C 114 H 32 C 222 H 42 C 366 H 54 Maps of | HOMO | 2 and | LUMO | 2 according to DFT BPW91/3-21G**

19 2 layers STM image across graphite step edge Theory based on DFT and tight binding calculations zoom

20 Analysis Cartoon explaining the observed STM image stripes Bright spots Dark spots Scheme and theoretical prediction Original STM image

21 Maps of | HOMO | 2 and | LUMO | 2 according to DFT BPW91/3-21G** (PAH) and BPW91/6-311G** (rylene) Graphitic edges as nanostructures

22 HOMOLUMO Dispersion of Raman with respect to the size Vibrations involved in Raman Dispersion experimentally observed on multiwalled carbon nanotubes Multi-walled carbon nanotube samples kindly provided by M. Corrias, and P. Serp, ENSIACET, Toulouse - France. D D

23 Pócsik et al., J. Non-Crystalline Solids, , 1083 (1998) Microcrystalline graphite D peak frequency dispersion Slope ~ 50 cm -1 /eV Wavelength dependence of the Raman response

24 Computation time: 12 days, 15 hours 2 avogadro processors total of 3.9 Gb disk space Chopped (4,4) nanotube first principles simulation BPW91/6-311G** D G

25 Ringraziamenti Esperimenti STM, discussioni scientifiche Prof. J. Rabe Dr. N. Severin Dept. of Physics, Von Humboldt University - Berlin Esperimenti Raman, discussioni scientifiche Dr. A. Lucotti Dr. C. S. Casari, Dr. A. Li Bassi, Dr. V. Russo, Prof. C. E. Bottani Politecnico di Milano Campioni poliine Prof. F. Cataldo Soc. Lupi arl, Chemical Research Institute, Roma


Scaricare ppt "Uso di calcoli quantochimici Density Functional Theory per lo studio di materiali di carbonio nanostrutturati Matteo Tommasini, E. Di Donato, C. Castiglioni,"

Presentazioni simili


Annunci Google