本篇使用了密度泛函理論搭配不同的基底函數與計算軟體分別模擬計算了溫室氣體與含過渡金屬缺陷石墨烯系統，此系統針對常見溫室氣體搭配不同的過渡金屬(Fe2+、Co2+、Ni2+、Cu2+、Zn2+)做不同位向的氣體吸附，可做為後續氣體偵測器之研究參考。
    含過渡金屬(Fe2+、Co2+、Ni2+、Cu2+、Zn2+)缺陷石墨烯系統對常見氣體與溫室氣體(CO2、N2O、CH4)做不同位向的氣體吸附。實驗結果發現此系統均吸附三原子氣體中吸附CO2、N2O以過渡金屬Fe2+的吸附為最佳，而多原子氣體中CH4是無吸附的現象。此外藉由電子性質的改變可以做為未來使用偵測氣體的依據，外接一電子裝置偵測其被吸附後的氣體Eg值改變量，作為判斷氣體有無吸附也是一個未來可行的方法。

Abstract: 
Density functional theory was used to simulate the calculation of greenhouse gas (CO2、N2O、CH4) and transition metal (Fe2+、Co2+、Ni2+、Cu2+、Zn2+) containing defect graphene systems with different basis functions and computational software. This system is used for different greenhouse gases with different transition metals for different orientations. As a reference for the research of subsequent gas detectors.
We use 4N-HDG-Fe defect graphene system to adsorb common gases and greenhouse gases, using SIESTA 4.0 under GGA conditions with density functional theory and basis function PBE/DZP for optimal structuring, followed by Gaussian 09 With B3LYP/LANL2DZ for single point energy calculation, the different adsorption orientations of various gases were simulated, and the optimal orientation after adsorption was selected.
From the experimental results, it can be found that when the system is three-atom gas, the only adsorption phenomenon is when the central transition metal is Fe2+ in the vertical direction (⫠N1－N2－O) and (⫠O－N2－N1). Among them, the vertical orientation (⫠N1－N2－O) has the best adsorption energy. In a polyatomic gas, it is presumed that it is surrounded by H atoms, making it difficult for Fe2+ to react with C atoms. When adsorbed
on CH4, there is no adsorption phenomenon, and in contrast, adsorption of CH2CH2 will be a better choice.

總目錄
謝誌	I
總目錄	V
圖目錄	VI
表目錄	VIII
第一章 緒論	1
1-1 奈米科技	1
1-2 奈米碳材之簡介	2
1-3 石墨烯氣體吸附之文獻回顧	9
1-4 研究動機	10
第二章 計算與原理	12
2-1 密度泛函理論	12
2-2 基底函數組	17
2-3 軟體介紹與計算策略	29
第三章 摻雜氮原子與過渡金屬之缺陷石墨烯氣體吸附之結果與討論	35
3-1 石墨烯之氣體偵測吸附之應用	35
3-2過渡金屬與摻雜氮原子之缺陷石墨烯之吸附	36
3-3 溫室氣體吸附於摻雜氮原子與過渡金屬之缺陷石墨烯之不同位向	40
    三原子氣體吸附於4N-HDG-Fe之不同位向: CO2、N2O	41
    三原子氣體吸附於4N-HDG-Co之不同位向: CO2、N2O	45
    三原子氣體吸附於4N-HDG-Ni之不同位向: CO2、N2O	49
    三原子氣體吸附於4N-HDG-Cu之不同位向: CO2、N2O	52
    三原子氣體吸附於4N-HDG-Zn之不同位向: CO2、N2O	56
3-4 多原子氣體吸附於4N-HDG-M之不同位向: CH4	64
3-5多原子氣體吸附於4N-HDG-M之不同位向: CH2CH2	68
3-6 小結	76
3-7 電子性質：有效吸附之電子密度圖：HOMO/LUMO	77
第四章 結論與未來展望	79
參考資料	82
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圖目錄
圖1-1 碳的同素異形體………………………………………………………………3
圖1-2 飯島澄男於TEM下觀察奈米碳管之影像……………………………….....6
圖1-3 單壁奈米碳管與多壁奈米碳管之結構………………………………………6
圖1-4 單層石墨烯(Graphene)結構示意圖……………………………………….....8
圖2-1 比較STO-1G、STO-2G、STO-3G不同基底函數與1s軌域的Slater函數近似程度……………………………………………………………………………..24
圖2-2 對於極性分子系統的軌域型態，用加入額外軌域型態函數來加以修正(p軌域加上d函數；s軌域加上p函數) …………………………………………….28
圖2-3 一維下的周期性條件示意圖………………………………………………..28
圖2-4 計算策略之流程圖…………………………………………………………..34
圖3-1 摻雜氮原子與過渡金屬鐵之缺陷石墨烯(4N-HDG-Fe) …………………37
圖3-2 摻雜氮原子與過渡金屬鈷之缺陷石墨烯(4N-HDG-Co) …………………37
圖3-3 摻雜氮原子與過渡金屬鎳之缺陷石墨烯(4N-HDG-Ni) …………………38
圖3-4 摻雜氮原子與過渡金屬銅之缺陷石墨烯(4N-HDG-Cu) …………………38
圖3-5 摻雜氮原子與過渡金屬鋅之缺陷石墨烯(4N-HDG-Zn) …………………39
圖3-6 三原子氣體CO2、N2O的可能吸附位向…………………………………41
圖3-7 CO2以(a)中間C原子端吸附(Fe－C) (b)垂直吸附(⫠O1－C－O2) (c)水平吸附(⫽O1－C) 之位向的穩定結構………………………………………………..43
圖3-8 N2O以(a)水平吸附(⫽N1－N2) (b)水平吸附(⫽O－N2) (c)垂直吸附(⫠N1－N2－O) (d)垂直吸附(⫠O－N2－N1)之位向的穩定結構…………………………45
圖3-9 CO2以(a)中間C原子端吸附(Co－C) (b) 垂直吸附(⫠O1－C－O2) (c)水平吸附(⫽O1－C)之位向的穩定結構…………………………………………………46
圖3-10 N2O以(a)水平吸附(⫽N1－N2) (b)水平吸附(⫽O－N2) (c)垂直吸附(⫠N1－N2－O) (d)垂直吸附(⫠O－N2－N1)之位向的穩定結構………………………48
圖3-11 CO2以(a)中間C原子端吸附(Ni－C) (b)垂直吸附(⫠O1－C－O2) (c)水平吸附(⫽O1－C)之位向的穩定結構…………………………………………………50
圖3-12 N2O以(a)水平吸附(⫽N1－N2) (b)水平吸附(⫽O－N2) (c)垂直吸附(⫠N1－N2－O) (d)垂直吸附(⫠O－N2－N1)之位向的穩定結構………………………52
圖3-13 CO2以(a)中間C原子端吸附(Co－C) (b)垂直吸附(⫠O1－C－O2) (c)水平吸附(⫽O1－C)之位向的穩定結構…………………………………………………54
圖3-14 N2O以(a)水平吸附(⫽N1－N2) (b)水平吸附(⫽O－N2) (c)垂直吸附(⫠N1－N2－O) (d)垂直吸附(⫠O－N2－N1)之位向的穩定結構………………………56
圖3-15 CO2以(a)中間C原子端吸附(Zn－C) (b)垂直吸附(⫠O1－C－O2) (c)水平吸附(⫽O1－C)之位向的穩定結構…………………………………………………57
圖3-16 N2O以(a)水平吸附(⫽N1－N2) (b)水平吸附(⫽O－N2) (c)垂直吸附(⫠N1－N2－O) (d)垂直吸附(⫠O－N2－N1)之位向的穩定結構………………………59
圖3-17 多原子氣體CH4吸附示意圖……………………………………………..64
圖3-18 CH4端於Fe2+正上方吸附之位向………………………………………...64
圖3-19 CH4端於Co2+正上方吸附之位向………………………………………..65
圖3-20 CH4端於Ni2+正上方吸附之位向………………………………………...65
圖3-21 CH4端於Cu2+正上方吸附之位向………………………………………..66
圖3-22 CH4端於Zn2+正上方吸附之位向………………………………………..67
圖3-23 多原子氣體CH2CH2吸附示意圖………………………………………..68
圖3-24 CH2CH2以(a)水平吸附(⫽C1－C2) (b)垂直吸附(Fe－C2)之位向的穩定結構。………………………………………...………………………………………...69
圖3-25 CH2CH2以(a)水平吸附(⫽C1－C2) (b)垂直吸附(Co－C2)之位向的穩定結構。………………………………………...………………………………………...70
圖3-26 CH2CH2以(a)水平吸附(⫽C1－C2) (b)垂直吸附(Ni－C2)之位向的穩定結構。………………………………………...………………………………………...71
圖3-27 CH2CH2以(a)水平吸附(⫽C1－C2) (b)垂直吸附(Cu－C2)之位向的穩定結構。………………………………………...………………………………………...73
圖3-28 CH2CH2以(a)水平吸附(⫽C1－C2) (b)垂直吸附(Zn－C2)之位向的穩定結構。………………………………………...………………………………………...74
圖3-29 電子密度圖………………………………………...……………………….78
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表目錄
表3-1摻雜氮原子與過渡金屬之缺陷石墨烯之Eg(eV)比較……………………..39
表3-2多原子氣體吸附4N-HDG-Fe時不同位向之吸附能(Eb)與至Fe之距離…61
表3-3多原子氣體吸附4N-HDG-Co時不同位向之吸附能(Eb)與至Co之距離..61
表3-4多原子氣體吸附4N-HDG-Ni時不同位向之吸附能(Eb)與至Ni之距離…62
表3-5多原子氣體吸附4N-HDG-Cu時不同位向之吸附能(Eb)與至Cu之距離..62
表3-6多原子氣體吸附4N-HDG-Zn時不同位向之吸附能(Eb)與至Zn之距離...63
表3-7多原子氣體吸附4N-HDG-Fe/Co/Ni/Cu/Zn時不同位向之吸附能(Eb)
與至Fe/Co/Ni/Cu/Zn之距離………………………………………………………..67
表3-8多原子氣體吸附於4N-HDG-Fe/Co/Ni/Cu/Zn時不同位向之吸附能(Eb)
與至Fe/Co/Ni/Cu/Zn之距離 ………………………………………………………75

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