Etude des propriétés électroniques et magnétiques des nanorubans de carbone dopés avec les atomes de fer

Abstract

Dans ce travail, nous avons réalisé une série de calculs dans le but de faire la lumière sur les propriétés structurelles, électroniques et magnétiques des nanorubans de carbone de type armchaire dopés avec un atome, deux atomes et trois atomes de fer. Le calcul est réalisé avec le code siesta dans le cadre de la théorie de la fonctionnelle de la densité, en utilisant l’approximation du gradient généralisé pour le traitement du terme d’échange-corrélation et de la méthode du gradient conjugué pour la relaxation des structures atomiques des systèmes étudiés. Les résultats obtenus sont : - L’étude du graphène dopé avec un atome de fer montre un comportement métallique avec un moment magnétique non nul qui provient principalement de l’atome de fer. La structure géométrique reste plane malgré l’introduction de l’atome de fer et une reconstitution des atomes de la surface est observée dans le plan. Le moment magnétique de l’atome de fer est nul à cause du nombre important de coordinations et de la petite longueur de liaison Fe-C. - Le nanoruban de carbone dopé avec un atome de fer, est caractérisé par une structure tridimensionnelle où l’atome de fer est situé à l’extérieur du plan. Le système est semiconducteur et possède un moment magnétique nul. -Dans le cas du dopage avec deux atomes, nous avons considéré deux cas : dans le cas non magnétique, la structure géométrique est plane et le système se comporte comme un métal. Dans le cas où le magnétisme est considéré, la structure géométrique change et les deux atomes de fer se retrouvent à l’extérieur du plan avec une courbure du plan contenant les atomes de carbone au voisinage de l’atome de fer. En prenant en compte la polarisation du spin, la structure du nanoruban change complétement par rapport au cas non magnétique. En effet, la structure est tridimensionnelle avec les atomes de fer à l’extérieur du plan et une déformation du plan contenant les atomes de carbone au voisinage des deux atomes de fer et moins prononcée en s’éloignant. Le nanoruban se comporte comme un semi-conducteur avec un gap direct. Les moments magnétiques de spin des différents atomes s’oriente dans la même direction avec des moments différentsDans partie, on peut conclure que le magnétisme des atomes fer est nettement responsable du changement de la géométrie et aussi des propriétés électroniques. Dans le cas du dopage avec trois atomes de fer et dans non magnétique, la structure du nanoruban est tridimensionnelle et le système dans cas se comporte comme un semiconducteur avec un gap nul avec un gap indirect contrairement au graphène qui possède un gap direct. Dans le cas magnétique, le gap est à nouveau ouvert et possède une énergie de gap non nulle et il est indirect. Le moment total du nanoruban n’est pas nul et les moments atomiques sont orientés dans la même direction. A travers cette étude, on peut constater dans les systèmes étudiés une multitude de propriétés électroniques, structurelles et magnétiques qui dépendent du taux de dopage et aussi de la polarisation du spin. Perspectives Etant donné, le manque de temps consacré à la réalisation de ce mémoire, nous n’avons exploré que quelques configurations géométriques de nanorubans de types armchaire, ce travail peut être complété en perspective en élargissant le nombre de configurations afin de voir l’effet de la position des atomes dopants sur les propriétés électroniques, structurelles et magnétiques. Par ailleurs, on pourra limiter la déformation du plan contant les atomes de carbone en augmentant la taille du nanoruban d’une part et aussi en procédant à la saturation des liaisons aux bords par des atomes d’hydrogène.