Grafeenikappaleiden ydinmagneettiset resonanssiominaisuudet määritetty laskennallisesti

02.11.2009

Uudet kokeelliset menetelmät ovat mahdollistaneet grafeenilevyjen eli kaksiulotteisien hiilitasojen valmistamisen. Grafeeni on nanorakenne, jolla on useita mielenkiintoisia ominaisuuksia. Se muodostuu yhdestä tasosta hiiliatomeja, jotka ovat järjestäytyneet kuusikulmaiseen, hunajakennomaiseen rakenteeseen. Sen elektronikaistarakenteen on näytetty vastaavan energiaraotonta puolijohdetta. Grafeenilla on suuri virrankuljetus- ja lämmönjohtavuuskyky. Nämä seikat tekevät siitä lupaavan materiaalin elektroniikan komponentteja ajatellen.

Helsingin yliopiston Molekyylimagnetismin tutkimusryhmän, Oulun yliopiston NMR-tutkimusryhmän sekä CSC:n yhteistyöhankkeessa grafeenia on tutkittu elektronirakennelaskuin, määrittämällä ydinmagneettiset resonanssiominaisuudet  erisuuruisille tasomaisille hiilivedyille, jotka toimivat malleina äärellisille grafeenikappaleille.  Ydinmagneettinen resonanssispektroskopia on tehokas työkalu materiaalien ominaisuuksien tutkimiseen. Nyt tehdyt laskut osoittivat, että isotrooppiset ja anisotrooppiset kemialliset siirtymät sekä epäsuorat spin-spin-kytkennät yhden, kahden ja kolmen sidoksen ylitse konvergoituvat nopeasti, kun tutkittavan hiilivedyn kokoa kasvatetaan. Tämä mahdollistaa parametrien ekstrapoloimisen äärettömän systeemin rajalle. Tutkimus muodostaakin hyvän lähtökohdan grafeenin kokeellisille NMR-mittauksille.

NMR-parametrien ennustuskyky varmistettiin kalibroimalla käytetyt tiheysfunktionaalimenetelmät erittäin tarkkojen korreloitujen aaltofunktiomenetelmien antamiin tuloksiin pienissä mallisysteemeissä. Työssä hyödynnettiin myös tekijöiden aikaisemmin kehittämiä nk. täydellisyysoptimoituja kantajoukkoja. Näitä käyttämällä saavutettiin lähellä  äärettömän kantajoukon rajaa olevia tuloksia, vaikka kantajoukot olivat kolme kertaa vastaavia standardikantajoukkoja pienempiä. Laskut eivät olisi olleet mahdollisia tavanomaisia kantajoukkoja käyttäen - täydellisyysoptimoitujen kantojen käytön ansiosta tarvittiin sadasosa standardikantojen vaatimista laskentaresursseista.

Raskaat tiheysfunktionaaliteoreettiset vastelaskut tehtiin CSC:n supertietokoneissa sekä Oulun ja Helsingin yliopistojen paikallisissa laskentaklustereissa. Käytössä oli 128 prosessoriydintä.

Tutkimus on osa Suvi Ikäläisen väitöskirjatyötä, jota ohjaa professori Juha Vaara. Akateemiset ryhmät ovat osa Suomen Akatemian rahoittamaa kansallista Laskennallisen molekyylitieteen huippuyksikköä.

Lisätietoja:

Suvi Ikäläinen, Perttu Lantto, Pekka Manninen and Juha Vaara: NMR tensors in planar hydrocarbons of increasing size, Physical Chemistry Chemical Physics (2009) [DOI:10.1039/B919860A]

CSC

CSC - Tieteen tietotekniikan keskus Oy on voittoa tavoittelematon opetusministeriön hallinnoima osakeyhtiö, joka tarjoaa korkeakouluille ja tutkimuslaitoksille tietoteknistä tukea ja resursseja: mallinnus-, laskenta- ja tietopalveluja. Tutkijat voivat käyttää Suomen laajinta tieteellisten ohjelmistojen ja tieteen tietokantojen valikoimaa sekä Suomen tehokkaimpia supertietokoneita Funet-tietoliikenneyhteyksien kautta.