Theoretical Investigation of Novel Carbon Nanostructures  Page description

Help  Print 
Back »
 

Details of project

  
Identifier
81492
Type K
Principal investigator Kürti, Jenő
Title in Hungarian Új szén nanoszerkezetek elméleti vizsgálata
Title in English Theoretical Investigation of Novel Carbon Nanostructures
Keywords in Hungarian nanocső, grafén, DFT, elektron-sávszerkezet, rezgések
Keywords in English nanotube, graphene, DFT, electronic band structure, vibrations
Discipline
Physics (Council of Physical Sciences)100 %
Ortelius classification: Solid state physics
Panel Physics 1
Department or equivalent Department of Biological Physics (Eötvös Loránd University)
Participants Cserti, József
Koltai, János
Vígh, Máté
Zólyomi, Viktor
Starting date 2010-02-01
Closing date 2015-01-31
Funding (in million HUF) 19.573
FTE (full time equivalent) 7.57
state closed project
Summary in Hungarian
Jelen pályázat szerves folytatása az idén lejáró, "Új szén nanorendszerek elméleti vizsgálata" című K060576 pályázatomnak. Az annak során elért nemzetközileg elismert eredményeink új kérdéseket vetettek föl a szén nanoszerkezetek (nanocsövek, grafén, fullerének) témakörében. Ezeket kívánjuk tovább vizsgálni kutatócsoportunkkal (két szenior, két fiatal kutató és két PhD hallgató).

A pályázat témája olyan új szén nanoszerkezetek elméleti vizsgálata, amelyek nemcsak az alapkutatások szempontjából érdekesek, hanem az alkalmazási lehetőségek miatt is, kezdve a molekuláris elektronikától és a kvantum számításoktól az anyag- és orvostudományig. Az elektronika miniatürizálása közelít a nanométeres tartományhoz. További előrelépés elképzelhetetlen új típusú anyagok felhasználása nélkül. Ebben minden kétséget kizáróan kulcsszerepet fognak játszani a grafén és a szén nanocsövek, amelyek egyedülálló elektromos és mechanikai tulajdonságokkal rendelkeznek.

Számításainkat -eddigi gyakorlatunkat folytatva- hazai és külföldi kísérleti csoportokkal szorosan együttműködve végezzük, elsősorban szén nanoszerkezetek elektromos és rezgési tulajdonságainak jobb megértése céljából.

A következő témákat kívánjuk tanulmányozni:
1) Szén nanocsövek fonon-diszperziója - számítások a helikális szimmetria figyelembe vételével
2) Szén nanocsövek D és D* fonon sávjai
3) Szén nanocsövek elektronszerkezete - túl a lokális sűrűség közelítésen
4) Fodrok hatása a grafén elektromos tulajdonságaira
5) Funkcionalizált grafén - egyedi molekulák érzékelése
6) Grafén szalagok D és D* fonon sávjai
Summary
The present proposal resumes my now closing grant K060576 entitled "Theoretical Investigation of Novel Carbon Nanosystems". Our internationally recognized results obtained within the previous grant gave rise to new questions in the field of carbon nanostructures (nanotubes, graphene, fullerenes), which we intend to further study with our team (two seniors, two younger seniors and two PhD students).

The aim of this proposal is to theoretically study the kind of novel carbon nanostructures that are not only interesting from the point of view of fundamental research, but also due to their high application potential, ranging from molecular electronics and quantum computing to materials science and medicine. Miniaturization of electronics nears the nanometer scale, and further advancement is unimaginable without the utilization of novel materials. Graphene as well as carbon nanotubes will undoubtedly play a key role in this process due to their unique electronic and mechanical properties.

As so far, we will perform our calculations in close cooperation with Hungarian and foreign experimental groups, primarily aiming at a better understanding of the electronic and vibrational properties of carbon nanostructures.
We plan to study the following research objectives:
1) Phonon dispersion of carbon nanotubes - calculations with helical symmetry
2) D and D* phonon bands of carbon nanotubes
3) Electronic structure of carbon nanotubes beyond the local density approximation
4) The effects of ripples on the electronic properties of graphene
5) Functionalized graphene - single molecule sensing
6) D and D* phonon bands of graphene ribbons




 

Final report

  
Results in Hungarian
Megállapítottuk, hogy bármely királis szén nanocsövet legalább két nem ekvivalens módon lehet összeilleszteni a saját tükörképével. DFT-szintű számításokkal meghatároztuk szén nanocsövek infra-spektrumát. DFT-szintű számolásokkal vizsgáltuk a hiperfinom kölcsönhatást szén nanocsövekben. Az irodalomban elsőként kiszámoltuk egy királis szén nanocső - (6,5) - rezonancia Raman optikai aktivitás (ROA) spektrumát. Megmutattuk, hogy duplafalú szén nanocsövekben a két réteg közötti kölcsönhatás a Raman-spektrum D-sáv tartományában diszperziót nem mutató sávokat eredményezhet. Kiszámítottuk 4d és 5d átmeneti fématomok kötési energiáját egy grafén síkhoz. Megvizsgáltunk különböző transzortjelenségeket egyrétegű és kétrétegű grafénben. Részletesen vizsgáltuk a spin-pálya kölcsönhatás szerepét grafénben. Megmutattuk, hogy a kettős rezonancia folyamatok megengednek Stokes—anti-Stokes kombinációkat is szén nanocsövek Raman-spektrumában. Tanulmányoztuk grafén nanoszerkezetek kötött állapotait. Green-függvényes technikával tanulmányoztunk kétdimenziós periodikus szerkezeteket. DFT számolásokkal meghatároztuk hatféle izotóp-jelzett titánium dioxid első- és másodrendű Raman-spektrumát. Mérések és számolások kombinációjával megmutattuk, hogy szén nanocsövek belsejében nemkonvencionális fullerének (C66, C68) keletkezhetnek. Néhány félvezetőre végzett GW számításaink eredményeihez való illesztés segítségével újraparametrizáltuk a HSE ún. árnyékolt egzakt kicserélődési sűrűségfunkcionált.
Results in English
We have used a combination of first princples density functional theory, the tight-binding model, and the GW many-body theory to perform research on carbon nanotubes and graphene. We have shown that any chiral carbon nanotube can be welded together with its own mirror reflection in at least two non-equivalent configurations. We have calculated the infrared and ROA (Raman optical activity) spectra of, and examined the hyperfine interaction in carbon nanotubes. We have shown that the inter-wall interaction in double walled nanotubes gives rise to nondispersive bands in the Raman D band region. We have calculated the binding energy of transition metal adatoms on graphene. We have shown that double resonance processes allow Stokes--anti-Stokes combinations in the Raman spectrum. We have studied the bound states of graphene nanostructures and used Green's function techniques to study two-dimensional periodic structures. We have calculated the first and second order Raman spectrum of isotope engineered titanium dioxide. We have shown, through a combination of theory and experiments, that unconventional fullerens (C66, C68) can be grown inside carbon nanotubes. We used the GW method to reparametrize the HSE screened exact exchange density functional to enhance its predicting power for the study of semiconductor band structures.
Full text https://www.otka-palyazat.hu/download.php?type=zarobeszamolo&projektid=81492
Decision
Yes





 

List of publications

  
Zólyomi V, Rusznyák Á, Koltai J, Kürti J, Lambert CJ: Functionalization of graphene with transition metals, Phys. Status Solidi B 247, 2920, 2010
Rakyta P, Kormányos A, Cserti J: Trigonal warping and anisotropic band splitting in monolayer graphene due to Rashba spin-orbit coupling, Phys. Rev. B 82, 113405, 2010
Rakyta P, Kormányos A, Cserti J, Koskinen P: Exploring the graphene edges with coherent electron focusing, Phys. Rev. B 81, 115411, 2010
Hagymási I, Kormányos A, Cserti J: Josephson current in ballistic superconductor-graphene systems, Phys. Rev. B 82, 134516, 2010
Cserti J, Dávid Gy: Relation between Zitterbewegung and the charge conductivity, Berry curvature and the Chern number of multi band systems, Phys. Rev. B 82, 201405(R), 2010
Rakyta P, Kormányos A, Cserti J: Sublattice asymmetry and spin-orbit interaction induced out-of-plane spin polarization of photoelectrons, Phys. Rev. B, 83, (15), 155439, (2011)., 2011
Zólyomi V, Rusznyák Á, Koltai J, Kürti J, Lambert CJ: Functionalization of graphene with transition metals, Phys. Status Solidi B 247, 2920, 2010
Zólyomi V, Koltai J, Visontai D, Oroszlány L, Rusznyák Á, László I, J. Kürti J: Characteristics of bamboo defects in peapod-grown double-walled carbon nanotubes, Phys. Rev. B 82, 195423, 2010
Zólyomi V, Rusznyák Á, Kürti J, Lambert CJ: First Principles Study of the Binding of 4d and 5d Transition Metals to Graphene, J. Phys. Chem. C 114, 18548, 2010
Oroszlány L, Zólyomi V, Lambert CJ: Carbon Nanotube Archimedes Screws, ACS Nano 4, 7363, 2010
Pekker A, Botos A, Rusznyak A, Koltai J, Kurti J, Kamaras K: Vibrational Signatures in the Infrared Spectra of Single- and Double-Walled Carbon Nanotubes and Their Diameter Dependence., JOURNAL OF PHYSICAL CHEMISTRY LETTERS 2:(16) pp. 2079-2082. (2011), 2011
Kavan Ladislav, Zukalova Marketa, Ferus Martin, Kuerti Jeno, Koltai Janos, Civis Svatopluk: Oxygen-isotope labeled titania: Ti(18)O(2), PHYSICAL CHEMISTRY CHEMICAL PHYSICS 13:(24) pp. 11583-11586, 2011
Kiss A, Palyi A, Ihara Y, Wzietek P, Simon P, Alloul H, Zolyomi V, Koltai J, Kurti J, Dora B, Simon F: Enhanced NMR Relaxation of Tomonaga-Luttinger Liquids and the Magnitude of the Carbon Hyperfine Coupling in Single-Wall Carbon Nanotubes, PHYSICAL REVIEW LETTERS 107:(18) 4 p. Paper 187204, 2011
Szirmai P, Fabian G, Dora B, Koltai J, Zolyomi V, Kurti J, Nemes NM, Forro L, Simon F: Density of states deduced from ESR measurements on low-dimensional nanostructures; benchmarks to identify the ESR signals of graphene and SWCNTs, PHYSICA STATUS SOLIDI B-BASIC SOLID STATE PHYSICS 248:(11) pp. 2688-2691, 2011
Zolyomi V, Koltai J, Kurti J: Resonance Raman spectroscopy of graphite and graphene, PHYSICA STATUS SOLIDI B-BASIC SOLID STATE PHYSICS 248:(11) pp. 2435-2444, 2011
David Gy, Rakyta P, Oroszlany L, Cserti J: Effect of the band structure topology on the minimal conductivity for bilayer graphene with symmetry breaking, PHYSICAL REVIEW B CONDENSED MATTER 85:(4) 5 p. Paper 041402(R), 2012
Rakyta P, Kormanyos A, Cserti J: Effect of sublattice asymmetry and spin-orbit interaction on out-of-plane spin polarization of photoelectrons, PHYSICAL REVIEW B CONDENSED MATTER AND MATERIALS PHYSICS 83:(15) 9 p. Paper 155439, 2011
Makk P, Visontai D, Oroszlany L, Manrique DZ, Csonka S, Cserti J, Lambert C, Halbritter A: Advanced Simulation of Conductance Histograms Validated through Channel-Sensitive Experiments on Indium Nanojunctions, PHYSICAL REVIEW LETTERS 107:(27) Paper 276801, 2011
Cserti J, Szechenyi G, David G: Uniform tiling with electrical resistors, JOURNAL OF PHYSICS A-MATHEMATICAL AND THEORETICAL 44:(21) 20 p. Paper 215201, 2011
V. Zólyomi, V. Ivády, and A. Gali: Enhancement of electron-nuclear hyperfine interaction at lattice defects in semiconducting single-walled carbon nanotubes studied by ab initio density functional theory c., PHYSICAL REVIEW B 86, 235433, 2012
P. Rakyta, A. Pályi, and J. Cserti: Electronic standing waves on the surface of the topological insulator Bi2Te3, PHYSICAL REVIEW B 86, 085456, 2012
CG Péterfalvi, L Oroszlány, CJ Lambert and J Cserti: Intraband electron focusing in bilayer graphene, New Journal of Physics 14,063028, 2012
Otakar Frank, M Zukalova, B Laskova, J Kürti, J Koltai and L Kavan: Raman spectra of titanium dioxide (anatase, rutile) with identified oxygen isotopes (16, 17, 18), Phys. Chem. Chem. Phys., 14, 14567–14572, 2012
Á. Rusznyák, J. Koltai, V. Zólyomi , and J. Kürti: Carbon nanobamboo: Junctions between left and right handed single walled carbon nanotubes, Phys. Status Solidi B 249, No. 12, 2652–2655, 2012
Vigh M, Oroszlány L, Vajna Sz, San-Jose P, Dávid Gy, Cserti J, Dóra B: Diverging dc conductivity due to a flat band in a disordered system of pseudospin-1 Dirac-Weyl fermions, Phys. Rev. B 88, 161413(R), 2013
Szirmai P, Fábián G, Koltai J, Náfrádi B, Forró L, Pichler T, Williams O.A, Mandal S, Bauerle C, Simon F: Observation of conduction electron spin resonance in boron-doped diamond, Phys. Rev. B 87, 195132, 2013
Nagy P.R, Biró L, Koltai J, Surján P.R, Szabados Á, Kürti J: Theoretical vibrational optical activity of chiral carbon nanoparticles: Fullerenes and carbonnanotubes, Physica Status Solidi B, 1-6 (2014) / DOI 10.1002/pssb.201451206 (közlésre elfogadva), 2014
Gyimesi B, Koltai J, Zólyomi V, Kürti J: I-band-like non-dispersive inter-shell interaction induced Raman lines in the D band region of double-walled carbon nanotubes, Applied Physics A (APYA-D-14-01063R1, közlésre elfogadva), 2014
Rakyta P, Tóvári E, Csontos M, Csonka Sz, Csordás A, Cserti J: Emergence of bound states in ballistic magnetotransport of graphene antidots, Phys. Rev. B (közlésre elküldve), 2014
Kukucska G, Koltai J, Kürti J: Stokes–anti-Stokes contribution to double resonance Raman processes in graphene, Physica Status Solidi B (közlésre elküldve), 2014
Rakyta P, Kormányos A, Cserti J, Koskinen P: Exploring the graphene edges with coherent electron focusing, Phys. Rev. B 81, 115411, 2010
Rakyta P, Kormányos A, Cserti J: Trigonal warping and anisotropic band splitting in monolayer graphene due to Rashba spin-orbit coupling, Phys. Rev. B 82, 113405, 2010
Hagymási I, Kormányos A, Cserti J: Josephson current in ballistic superconductor-graphene systems, Phys. Rev. B 82, 134516, 2010
Zólyomi V, Koltai J, Visontai D, Oroszlány L, Rusznyák Á, László I, J. Kürti J: Characteristics of bamboo defects in peapod-grown double-walled carbon nanotubes, Phys. Rev. B 82, 195423, 2010
Cserti J, Dávid Gy: Relation between Zitterbewegung and the charge conductivity, Berry curvature and the Chern number of multi band systems, Phys. Rev. B 82, 201405(R), 2010
Oroszlány L, Zólyomi V, Lambert CJ: Carbon Nanotube Archimedes Screws, ACS Nano 4, 7363, 2010
Zólyomi V, Rusznyák Á, Kürti J, Lambert CJ: First Principles Study of the Binding of 4d and 5d Transition Metals to Graphene, J. Phys. Chem. C 114, 18548, 2010
Cserti J, Szechenyi G, David G: Uniform tiling with electrical resistors, JOURNAL OF PHYSICS A-MATHEMATICAL AND THEORETICAL 44:(21) 20 p. Paper 215201, 2011
Kavan Ladislav, Zukalova Marketa, Ferus Martin, Kuerti Jeno, Koltai Janos, Civis Svatopluk: Oxygen-isotope labeled titania: Ti(18)O(2), PHYSICAL CHEMISTRY CHEMICAL PHYSICS 13:(24) pp. 11583-11586, 2011
Pekker A, Botos A, Rusznyak A, Koltai J, Kurti J, Kamaras K: Vibrational Signatures in the Infrared Spectra of Single- and Double-Walled Carbon Nanotubes and Their Diameter Dependence., JOURNAL OF PHYSICAL CHEMISTRY LETTERS 2:(16) pp. 2079-2082. (2011), 2011
Rakyta P, Kormanyos A, Cserti J: Effect of sublattice asymmetry and spin-orbit interaction on out-of-plane spin polarization of photoelectrons, PHYSICAL REVIEW B CONDENSED MATTER AND MATERIALS PHYSICS 83:(15) 9 p. Paper 155439, 2011
Szirmai P, Fabian G, Dora B, Koltai J, Zolyomi V, Kurti J, Nemes NM, Forro L, Simon F: Density of states deduced from ESR measurements on low-dimensional nanostructures; benchmarks to identify the ESR signals of graphene and SWCNTs, PHYSICA STATUS SOLIDI B-BASIC SOLID STATE PHYSICS 248:(11) pp. 2688-2691, 2011
Zolyomi V, Koltai J, Kurti J: Resonance Raman spectroscopy of graphite and graphene, PHYSICA STATUS SOLIDI B-BASIC SOLID STATE PHYSICS 248:(11) pp. 2435-2444, 2011
Á. Rusznyák, J. Koltai, V. Zólyomi , and J. Kürti: Carbon nanobamboo: Junctions between left and right handed single walled carbon nanotubes, Phys. Status Solidi B 249, No. 12, 2652–2655, 2012
CG Péterfalvi, L Oroszlány, CJ Lambert and J Cserti: Intraband electron focusing in bilayer graphene, New Journal of Physics 14,063028, 2012
David Gy, Rakyta P, Oroszlany L, Cserti J: Effect of the band structure topology on the minimal conductivity for bilayer graphene with symmetry breaking, PHYSICAL REVIEW B CONDENSED MATTER 85:(4) 5 p. Paper 041402(R), 2012
Otakar Frank, M Zukalova, B Laskova, J Kürti, J Koltai and L Kavan: Raman spectra of titanium dioxide (anatase, rutile) with identified oxygen isotopes (16, 17, 18), Phys. Chem. Chem. Phys., 14, 14567–14572, 2012
V. Zólyomi, V. Ivády, and A. Gali: Enhancement of electron-nuclear hyperfine interaction at lattice defects in semiconducting single-walled carbon nanotubes studied by ab initio density functional theory c., PHYSICAL REVIEW B 86, 235433, 2012
P. Rakyta, A. Pályi, and J. Cserti: Electronic standing waves on the surface of the topological insulator Bi2Te3, PHYSICAL REVIEW B 86, 085456, 2012
Kukucska G, Koltai J, Kürti J: Stokes–anti-Stokes contribution to double resonance Raman processes in graphene, Phys. Status Solidi B, 251: 2525–2529, 2014
Nagy P.R, Biró L, Koltai J, Surján P.R, Szabados Á, Kürti J: Theoretical vibrational optical activity of chiral carbon nanoparticles: Fullerenes and carbonnanotubes, Phys. Status Solidi B, 251: 2451–2456, 2014
Rakyta P, Tóvári E, Csontos M, Csonka Sz, Csordás A, Cserti J: Emergence of bound states in ballistic magnetotransport of graphene antidots, Phys. Rev. B 90, 125428, 2014
Zólyomi Viktor, Peterlik Herwig, Bernardi Johannes, Bokor Mónika, László István, Koltai János, Kürti Jenő, Knupfer Martin, Kuzmany Hans, Pichler Thomas, Simon Ferenc: Toward Synthesis and Characterization of Unconventional C66 and C68 Fullerenes inside Carbon Nanotubes, J PHYS CHEM C 118: (51) 30260-30268, 2014
Gyimesi B, Koltai J, Zólyomi V, Kürti J: I-band-like non-dispersive inter-shell interaction induced Raman lines in the D band region of double-walled carbon nanotubes, Appl. Phys. A 118: 587–593, 2015
V. Zólyomi, J. Kürti: Towards improved exact exchange functionals relying on GW quasiparticle methods for parametrization, arxiv/cond-mat (submitted to PRB), 2015




 

Events of the project

  
2013-08-02 12:13:55
Résztvevők változása



Back »