Master's Thesis

Calculation of Interactions of Graphene/SiO2 System with Adsorbed Atoms and Molecules using DFT Methods

Final Thesis 5.21 MB

Author of thesis: Ing. David Nezval, Ph.D.

Acad. year: 2014/2015

Supervisor: doc. Ing. Miroslav Bartošík, Ph.D.

Reviewer: Mgr. Martin Friák, Ph.D.

Abstract:

This master's thesis studies the electronic properties changes of graphene caused by substrate SiO2, adsorbed molecules of water and atoms of gallium.  There are tested different geometrical configurations of these systems and consequently calculated band structures to derive the changes of the electronic properties: the doping effect and band gap opening of graphene layer.

Keywords:

Ab initio calculations, graphene, electronic properties, substrate SiO, water, gallium

Date of defence

23.06.2015

Result of the defence

Defended (thesis was successfully defended)

znamkaAznamka

Grading

A

Language of thesis

Czech

Faculty

Department

Study programme

Applied Sciences in Engineering (N3901-2)

Field of study

Physical Engineering and Nanotechnology (M-FIN)

Composition of Committee

prof. RNDr. Tomáš Šikola, CSc. (předseda)
prof. RNDr. Miroslav Liška, DrSc. (místopředseda)
prof. RNDr. Bohumila Lencová, CSc. (člen)
prof. RNDr. Jiří Komrska, CSc. (člen)
prof. RNDr. Petr Dub, CSc. (člen)
prof. RNDr. Radim Chmelík, Ph.D. (člen)
prof. RNDr. Jiří Spousta, Ph.D. (člen)
prof. Ing. Ivan Křupka, Ph.D. (člen)
prof. RNDr. Pavel Zemánek, Ph.D. (člen)
RNDr. Antonín Fejfar, CSc. (člen)

Cílem diplomové práce Davida Nezvala bylo pomocí výpočtů metodou DFT vnést více teoretického vhledu do odezvy elektronických vlastností grafenu vlivem substrátu SiO2, adsorbovaných molekul vody a atomů gallia, což jsou témata, kterými se v současnosti intenzivně experimentálně zabýváme na ÚFI VUT s ohledem na možné aplikace v oblasti senzorů a solárních článků. Jako vedoucí diplomové práce konstatuji, že tento cíl se podařilo beze zbytku splnit. Práce obsahuje velmi zdařilý teoretický úvod do DFT metod, následné výsledky výpočtů jsou prezentovány jasnou, názornou, stručnou a srozumitelnou formou. Především však oceňuji, že práce je přínosná pro řadu dalších osob svázaných s uvedenou problematikou a určité pasáže mají v souvislosti s experimenty publikační potenciál, což je vynikající výsledek.
Evaluation criteria Grade
Splnění požadavků a cílů zadání A
Postup a rozsah řešení, adekvátnost použitých metod A
Vlastní přínos a originalita A
Schopnost interpretovat dosažené vysledky a vyvozovat z nich závěry A
Využitelnost výsledků v praxi nebo teorii A
Logické uspořádání práce a formální náležitosti A
Grafická, stylistická úprava a pravopis A
Práce s literaturou včetně citací A
Samostatnost studenta při zpracování tématu A

Grade proposed by supervisor: A

Reviewer’s report
Mgr. Martin Friák, Ph.D.

Předložená diplomová práce obsahuje výsledky velmi náročných kvantově-mechanických výpočtů elektronové struktury grafenu na substrátu SiO2 a soustředí se na změny vyvolané adsorbovanými atomy galia a molekulami vody. Jedná se o vysoce aktuální tématiku, která je motivována předpoklá- daným budoucím využitím grafenu jako velmi citlivého senzoru různých látek. Je možno s potěšením konstatovat, že všechny požadavky a cíle této diplomové práce byly zcela splněny. Autor použil k řešení metodu funkcionálu (elektronové) hustoty, která je velmi vhodná pro výpočty periodických systémů, jako je např. i grafen. Rozsah (výpočetně velmi náročných) kvantově-mechanických simulací je plně adekvátní cílům této diplomové práce. Autor detailně porovnává elektronovou strukturu izolovaného grafenu, grafenu umístěného na substrátu SiO2 a dále změny vyvolané atomy galia a molekulami vody v několika koncentracích. Je to právě tato (přímo vzorová) systematičnost, s níž jsou zkoumány různé vzájemné polohy grafenu a substrátu a následně pak i orientace molekul vody či vzájemné polohy atomů galia při různých koncentracích, která je opravdu velkým kladem této diplomové práce. Při přípravě komplikovaných vstupních strukturních souborů (tzv. výpočetních superbuněk) popisujících povrch grafenu interagujícího s atomy Ga a molekulami H2O je jasně vidět vlastní přínos autora práce, který následně také ukázal svou schopnost velmi dobře interpretovat dosažené výsledky a vyvozovat z nich závěry. Vzhledem k tomu, že spočtené změny elektronové struktury (např. otevření pásu zakázaných energií) jsou signifikantní, je možno předpokládat značnou využitelnost výsledků v praxi. Po formální stránce je předložená diplomová práce logicky velmi dobře uspořádaná a obsahuje všechny náležitosti. Grafickému provedení obrázků a grafů elektronových struktur, které jsou hlavním výsledkem práce, nelze nic vytknout, stejně jako stylistické úpravě ostatních částí práce či pravopisu. Autorova práce s literaturou je velmi pěkná, ale vzhledem k revolučnímu charakteru grafenu a opravdu obrovskému počtu vědeckých prací, které se mu věnují, se domnívám, že seznam literatury mohl být nepatrně delší o několik nejvýznamnějších prací týkajících se ostatních výjimečných vlastností grafenu.
Evaluation criteria Grade
Splnění požadavků a cílů zadání A
Postup a rozsah řešení, adekvátnost použitých metod A
Vlastní přínos a originalita A
Schopnost interpretovat dosaž. vysledky a vyvozovat z nich závěry A
Využitelnost výsledků v praxi nebo teorii A
Logické uspořádání práce a formální náležitosti A
Grafická, stylistická úprava a pravopis A
Práce s literaturou včetně citací B
Topics for thesis defence:
  1. Poprosil bych autora diplomové práce o porovnání pásových struktur 3D krystalu SiO2 v rovnovážném stavu a při (v práci diskutovaném) 4% rovinném stlačení.

Grade proposed by reviewer: A

Responsibility: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová