Calculs ab initio de la fonctionnalisation du graphène par l’azote

Abstract

Notre projet est conduit en collaboration avec une équipe de physique des plasmas. Nous avons pour but d'étudier et caractériser le dopage par l'azote du graphène par un traitement plasma dans la post-décharge lointaine, à l'aide de calculs effectués grâce à la théorie de la fonctionnelle de la densité. Nous commençons par présenter le contexte actuel de la recherche en dopage du graphène ainsi que les motivations pour le projet. Nous présentons aussi certaines considérations théoriques à la base des calculs reliés au projet. Dans le second chapitre, nous étudions les principales structures de dopage et présentons les résultats d'énergie de formation obtenus. Le troisième chapitre se penche sur les azotes adsorbés à la surface des feuilles de graphène. Nous avons calculé les barrières d'activation pour la migration et l'incorporation de ces atomes et constaté que l'incorporation dans une lacune simple devait pouvoir se faire facilement. Nous étudions également l'interaction entre deux défauts, dans le cas d'un azote adsorbé et d'une lacune ainsi que pour deux azotes adsorbés. Il semble déjà assez clair qu'une lacune attire l'azote adsorbé. Quant à la relation entre les deux azotes, il nous faudra plus de travail avant de conclure, mais nous avons déjà quelques pistes de réponse. Au quatrième chapitre, nous présentons l'impact de l'inclusion du point K de la première zone de Brillouin dans les calculs ab initio. Nous remarquons qu'il abaisse l'énergie des structures dopées et que cet abaissement peut être surestimé si la discrétisation de l'espace des impulsions est trop espacée. Le dernier chapitre présente brièvement les possibles prochaines étapes pour la continuation du projet.

Our project is conduced in collaboration with a plasma physics group. Our goal is to study and caracterize a new nitrogen doping process involving the late afterglow regime of a nitrogen plasma, by using calculations based on the density functional theory. We begin this text with a presentation of the current context in graphene doping and some motivations for the project. We also present theoretical considerations regarding our calculations. In the second chapter, we study the principal doping structures and present the formation energy results we obtained. The third chapter is about adsorbed nitrogens on the surface of graphene sheets. We calculated energy barriers for their migration and incorporation and found that the incorporation inside a monovacancy should be an easy process. Likewise, we study the interaction between two defects, namely a monovacancy and an adsorbed nitrogen and a pair of adsorbed nitrogens. It already seems clear that a vacancy attracts a nitrogen. As for the pair of nitrogens, more work is needed for a conclusion, but we have some leads. In the fourth chapter, we present the impact of including the K point of the first Brillouin Zone on the calculations. We note it induces a lowering of formation energies when included in the momentum space discretisation, and that this effect can be overestimated if the discretisation is too sparse. The last chapter presents the possible next steps to pursue this project.