First-Principles Investigations of Some Nano-structured Systems for Gas Sensing Applications. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

Preview

PDF MS-Ezzi-Final.pdf - Accepted Version Download (5MB) | Preview

Arabic Abstract

في هذه الرسالة العلمية تم توظيف طرق حسابية فيزيائية في ثلاث دراسات مختلفة لغرض تصميم مركبات نانومترية جديدة كي تستخدم في صناعة أجهزة استشعار بعض الغازات ذات الأهمية البيئية والاقتصادية. كل الطرق الحسابية المستخدمة هي طرق تابعة لميكانيكا الكم. تم استخدام الطرق الحسابية لدراسة ثلاث مركبات نانومترية جديدة من أجل فحص إمكانية استخدمها في أجهزة استشعار الغازات. الدراسة الأولى تتضمن بحث عمليات التصاق جزيئات ثاني أكسيد الكربون على سطح الجرافين والكربون نانو تيوب, مع وبدون إضافة ذرات الحديد باستخدام نظرية ال self-consistent-charge density-functional tight-binding والتي يرمز لها بالاختصار (SCC-DFTB). وقد أظهرت الدراسة المقارنة حساسية الكربون نانوتيوب ac-CNT-Fe المطعم بذرات الحديد تجاه عدة غازات وهي الأكسجين و النيتروجين والهيدروجين وبخار الماء و أول أكسيد الكربون بالإضافة لثاني أكسيد الكربون أن المادة النانومترية المركبة الجديدة حساسة وانتقائية فقط تجاه أول وثاني أكسيد الكربون بالإضافة لبخار الماء. أما الدراسة الثانية فقد تضمنت بحث قدرة أشرطة الجرافين graphene nanoribbons (GNR) على استشعار غاز ثاني أكسيد الكربون. في هذه الدراسة استخدمنا density functional theory بالإضافة ل nonequilibrium Green’s function formalism لبحث تغير خصائص أشرطة الجرافين المطعمة بالحديد بعد تعرضها لالتصاق غاز ثاني أكسيد الكربون على سطحها. تم إضافة ذرة الحديد لشريط الجرافين بطريقتين: إما على السطح بالاتصاق (aFe-graphene) أو بطريقة تعويضية بعد إزالة ذرة كربون وإبدالها بذرة الحديد (sFe-graphene) . وقد وجدنا - كما هو معلوم - أن التطعيم بذرات المعادن يعمل على إضعاف التوصيل الإلكتروني للجرافين نتيجة تمركز الإلكترونات بالقرب من الشوائب المضافة للجرافين. وجدنا أيضا أن إضافة الحديد على سطح أشرطة الجرافين يضعف التوصيل الإلكتروني أكثر مما يحدث في حالة إضافة الحديد بالإبدال. على العكس من ذلك , فإن غاز ثاني أكسيد الكربون له القدرة على تغيير خصائص أشرطة الجرافين المدعمة بالحديد بطريقة الإبدال بمقدار كبير في حالة المقارنة مع ال (aFe-graphene) . و يجدر الإشارة بإن الجرافين بدون إضافات لا يستطيع استشعار غاز ثاني أكسيد الكربون. ونريد التنويه بإن نتائج دراستنا الثانية من الممكن توظيفها في تطوير أجهزة استشعار قائمة على مادة الجرافين. أما دراستنا الثالثة فقد هدفت لبحث التصاق غاز الهيدروجين على مادة الزنك أكسيد النانومترية ذات الدرجة الثانية ZnO-2d باستخدام نظرية ال (SCC-DFTB) . في هذه الدراسة بحثنا النشاط الكيميائي لخمسة مواقع التصاق على سطح ال ZnO-2d وهي (أ) فوق ذرة الزنك (ب) فوق ذرة الأكسجين (ج) فوق الرابطة (د) في المواقع الجوفاء بالإضافة ل (هـ) مواقع ذرات الأكسجين الشاغرة. أظهرت نتائجنا أن الالتصاق الكيميائي يحصل فقط في حالة وضع جزيئات الهيدروجين فوق ذرات الأكسجين. في هذه الحالة فإن جزيئات الهيدروجين تتحلل إلى ذرتين منفصلتين. أما الدور الذي تعلبها مواقع الأكسجين الشاغرة فهو إضافة electronic states جديدة تعمل على زيادة كثافة الناقلات السالبة مما يؤدي تشكيل degenerate n-type ZnO . بما أن دراستنا الثالثة أظهرت تحسن في التوصيل الكهربي وزيادة في قدرته على التفريق بين عدد جزئيات الهيدروجين الملتصق على السطح فإن نستطيع القول بإنZnO-2d مادة مناسبة للاستخدام في أجهزة استشعار الهيدروجين.

English Abstract

Using computational methods to design novel solid state gas sensor is crucial to further improve technological applications based on nanostructured materials. In this thesis, we used quantum computational method to study three novel nanostructured systems and investigated the feasibility to employ them in the detection of different gases of interest. The first problem involves the adsorption of CO2 on surfaces of graphene and carbon nanotubes (CNTs), decorated with Fe atoms, using the self-consistent-charge density-functional tight-binding (SCC-DFTB) method. Comparative study of sensitivity of ac-CNT-Fe composite towards various gases (e.g., O2, N2, H2, H2O, CO and CO2) has shown high sensitivity and selectivity towards CO, CO2 and H2O gases. In the second problem, we studied graphene nanoribbons (GNR) to detect CO2. We used density functional theory in combination with the nonequilibrium Green’s function formalism to study the conductance response of Fe-doped graphene nanoribbons to CO2 gas adsorption. A single Fe atom is either adsorbed on graphene’s surface (aFe-graphene) or it substitutes the carbon atom (sFe-graphene). Metal atom doping reduces the electronic transmission of pristine graphene due to the localization of electronic states near the impurities. The reduction in the transmission is more pronounced in the case of aFe-graphene. In addition, the aFe-graphene is found to be less sensitive to the CO2 molecule attachment as compared to the sFe-graphene system. Pristine graphene is also found to be less sensitive to the molecular adsorption. We think our findings will be useful in developing graphene-based solid-state gas sensor. Finally, the adsorption of H2 molecules on graphitic ZnO-2d is investigated using (SCC-DFTB) method. We inspected the chemical activity of (a) Zn site, (b) O site, (iii) bridge site, (iv) hollow site, and (v) oxygen-vacancy “VO” site. The results show that the chemisorption can occur only if H2 molecule lands on the oxygen site. In that case, the H2 molecules gets dissociated into two separate hydrogen atoms. Moreover, oxygen vacancies do intentionally exist in real samples as native defects. Our simulations show that the relaxed oxygen vacancy in ZnO-2d would introduce a triplet of donor states and a singlet of acceptor state as well as to shift Fermi level upper than the donor states (i.e., EF ≥ ED). Furthermore, the chemisorption of H2 on oxygen site yields to formation of one shallow donor state (attributed to O-H bond) and one deep acceptor state (attributed to Zn-H bond). These two scenarios would simultaneously enhance the majority charge carrier density and yield a degenerate n-type ZnO. Because of these reasons, our results show an enhanced conductance and sensitivity versus gas dose, and clearly display the suitability of ZnO for H2 gas sensing.

Item Type:	Thesis (Masters)
Subjects:	Physics
Department:	College of Engineering and Physics > Physics
Committee Advisor:	Bahlouli, Hocine
Committee Members:	Bahlouli, Hocine and Tit, Nacir and Saeed, Al-Marzoug
Depositing User:	MOHAMMAD AL-EZZI (g200993050)
Date Deposited:	13 Jul 2017 12:14
Last Modified:	01 Nov 2019 16:43
URI:	http://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/140405