Характеризация методами рентгеновской спектроскопии углеродных наноструктур, функционализированных галогенидами переходных металлов

• Автор: Генералов, Александр Владимирович
• Шифр специальности: 01.04.07
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2013
• Место защиты: Санкт-Петербург
• Количество страниц: 164 с. : ил.

Содержание
Введение

Глава 1. Обзор литературы

1.1. Атомная и электронная структура свободного графена

1.2. Атомная и электронная структура SWCNT

1.3. Функционализация одностенных углеродных нанотрубок и графена на различных подложках

1.3.1. Общая информация

1.3.2. Допирование углеродных нанотрубок йодом

1.3.3. Интеркаляция меди под графен на никеле N1(111)

1.4. Дырочное допирование графена на различных подложках

Глава 2. Экспериментальные методы исследования и проведение эксперимента

2.1. Рентгеновская абсорбционная спектроскопия
2.1.1. Тонкая структура рентгеновских спектров поглощения атомов в поли-атомных системах и квазимолскулярный подход
2.1.2. Традиционные модели для описания рентгеновских спектров поглощения твердых тел
2.2. Рентгеновская фото- и Оже-электронная спектроскопия
2.3. Оборудование Российско-Германского канала вывода и монохроматизации СИ электронного накопителя BESSY И
2.4. Оборудование канала вывода и монохроматизации СИ D1011 электронного накопителя MAX II
2.5. Подготовка образцов, регистрация и обработка спектров
Глава 3. Электронная структура нанокомпозитов CuX@SWCNT (Х=С1, Br, I)
3.1. Сравнительный анализ рентгеновских Си2/г-спектров поглощения для Cul и CuI@SWCNT
3.2. Сравнение Clx-, Си2р- и 13й?-фотоэлектронных спектров для композита CuI@SWCNT и реперных систем - исходных SWCNT и Cul
3.3. Эволюция CuI@SWCNT при отжиге в вакууме
3.4. Cu2p-, Cul.v- и С Ь-рентгеновские спектры поглощения наноструктур CuX@SWCNT (X = I, Br, С1)
Глава 4. Электронная структура галогенидов меди CuX (X = CI, I): квазимолеку-лярный подход
4.1. Электронная структура валентных зон галогенидов меди CuX, исследованная методом РФЭС
4.2. Электронная структура свободных состояний галогенидов меди CuX,
исследованная методом РАС
4.3. Спектры поглощения и валентной фотоэмиссии галогенидов меди CuX, совмещенные в единой энергетической шкале
4.4. Спектры валентной фотоэмиссии и нормальной ГзАД^АД^-Оже-электронной эмиссии атомов меди для CuCl и Cul
4.5. Резонансные Си1зЛА,5М,5-Оже-электронные спектры для Cul и CuCl
Глава 5. Эволюция системы CuI/MG/Ni(lll)AV(110) при прогреве в вакууме
5.1. Формирование упорядоченного слоя Cul на MG/Ni(lll) и его интеркаляция в процессе прогрева в вакууме
5.2. Дырочное допирование графена при интеркаляции Cul
Глава 6. Дырочное допирование графена на Ir(lll) с помощью FeCb
6.1. Интеркаляция
6.2. Допирование
Глава 7. Дырочное допирование графена на подложке Ir(lll) с помощью А1Вгз
7.1. LEEM и микро-LEED
7.2. Фотоэлектронные спектры
7.3. Дырочное допирование графена: ARPES данные
Заключение
Список литературы
Список терминов и сокращений

Введение
Актуальность темы. Наноструктурированные аллогропы углерода с ^-гибридизацией валентных орбиталей атома углерода такие как одностенные или многостенные углеродые нанотрубки (single walled carbon nanotubes, SWCNT и multi walled carbon nanotubes, MWCNT) и графен (монослой графита, MG) демонстрируют уникальные физикохимические свойства, связанные со своеобразным строением я-электронной подсистемы этих наноструктур вблизи уровня Ферми [1,2]. Они и их производные (композиты) обладают очень большой механической прочностью и упругостью в сравнении с известными материалами, а также обнаруживают транспортные электронные свойства, превосходящие соответствующие свойства кремния в терминах плотности тока и подвижности носителей заряда. Электронные свойства углеродных нанотрубок и графена тесно связаны, так как первые могут быть представлены как свернутые в цилиндр листы графена [3,4]. Вследствие этого интерес к исследованию подобных углеродных наносистем за последнее десятилетие многократно вырос.
Модификация исходных углеродных нанотрубок и графена посредством химической или физической адсорбции на них атомов, молекул или тонких слоев другого вещества может в значительной степени расширить круг физико-химических свойств композитов на основе этих углеродных наноструктур [2,5]. Подобная функционализация рассматриваемых наноструктур может быть реализована (i) путем адсорбции и последующей ннтеркаляции различных атомов или молекул под слой графена на различных подложках или вовнутрь гексагональных пустот в связках трубок; (й) за счет химического присоединения к поверхности графена или внешней поверхности стенок трубок атомов или молекул; (iii) посредством замещения в наноструктуре отдельных атомов углерода атомами другого сорта; (iv) инкапсуляцией различных веществ во внутренних каналах одностенных углеродных нанотрубок, что приводит к формированию одномерных нанокристаллов и квантовых нанопроволок с новыми свойствами [5-13].
Особо привлекательной представляется функционализация графена и углеродных нанотрубок атомами Зс/-переходных металлов и их соединений. Многообразие и уникальность свойств соединений Зс/-атомов связываются с различной ролыо в разных соединениях корреляционных эффектов для сильно локализованных Зг/-электронов и ковалентного связывания (гибридизации) между Зг/-атомом и соседними атомами. Переход от традиционных конденсированных систем к наноструктурированным приводит к усилению роли химического взаимодействия Зс/-атомов с соседями в формировании физико-

'1 Spectrum

> к Valence Band

E Sample
■—vnc

■>N(E)

с core level
> М(Е)
Рис. 2.4. Связь между энергетическими уровнями в твердом теле и энергетическим распределением фотоэлектронов при возбуждении фотонами с энергией На>. Ы(Е) - число электронов с энергией Е.
Процесс фотоэмиссии часто рассматривают в рамках так называемой трехступенчатой модели [126]. На рис. 2.5 показан основной принцип данной модели. В трехступенчатой модели процесс фотоэлектронной эмиссии рассматривается как три отдельные независимые стадии. В первой стадии имеет место фотовозбуждение как таковое, т. е. электрон возбуждается падающим на него фотоном. В одноэлектронном приближении это соответствует переходу электрона из начального состояния с волновой функцией в конечное состояние / с волновой функцией ц//. В рамках дипольного приближения вероятность этого перехода Р/ может быть представлена в виде [126]:
В этом выражении 6-функция выражает закон сохранения энергии, а оператор Нш является гамильтонианом взаимодействия электрона с электромагнитным полем фотона, описываемым векторным потенциалом А, и имеет вид:
где р - оператор импульса. Конечное состояние в процессе фотовозбуждения определяется зонной структурой свободных состояний. Для фотоэлектронов с достаточно большой
(2.8)
Йы =~(А-р + р-А),

(2.9)