Особенности взаимодействия атомов углерода на поверхности и в объеме монокристаллов железа, никеля и сплавов на их основе

• Автор: Мутигуллин, Илья Васылович
• Шифр специальности: 01.04.07
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2010
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 92 с. : ил.

ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР

1.1. Методы получения и основные характеристики углеродных наноматериалов

1.2. Влияние металлических катализаторов на процесс синтеза углеродных

нанонитей

1.3. Теоретические модели роста углеродных нанонитей

1.4. Теоретические исследования взаимодействия атомарного углерода с металлическими

катализаторами

1.5. Постановка задачи

ГЛАВА 2. МЕТОДИКА РАСЧЕТОВ ИЗ ПЕРВЫХ ПРИНЦИПОВ ЭЛЕКТРОННОЙ

СТРУКТУРЫ ТВЕРДЫХ ТЕЛ В РАМКАХ ТЕОРИИ ФУНКЦИОНАЛА ПЛОТНОСТИ
2.1. Основы теории функционала электронной плотности
2.2. Приближения для обменно-корреляционного функционала
2.3. Решение уравнений Кона-Шэма и метод псевдопотенциала
2.4. Схема проведения первопринципных расчетов
ГЛАВА 3. ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
3.1. Исследование растворимости углерода в кристаллических структурах Ре, № и их
соединений (Бе№з, Ее№, БеэРЛ)
3.2. Исследование адсорбции одиночных атомов углерода на поверхностях (001) и
(111) железа, никеля и БеМз
3.3. Исследование кластеризации углеродных адатомов на поверхностях (001) и (111)
железа
3.4. Исследование влияния коллективного взаимодействия атомов углерода на
образование монослоев углерода на поверхностях железа (001) и (111)
3.5. Исследование влияния концентрации атомов углерода на поверхностях (001) и (111)
железа, никеля и соединения РеМз на формирование твердого раствора внедрения
в подповерхностном слое
ВЫВОДЫ
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ВВЕДЕНИЕ
Развитие существующих технологий и появление новых требуют инновационных решений от науки о материалах. Активно исследуемые в последние годы углеродные наноструктуры (нанотрубки, нановолокна, фуллерены, графсновые листы) представляют большой практический интерес для микроэлектроники, оптики, микробиологии, физики капиллярных явлений.
Синтез этих веществ с заранее заданными свойствами в промышленных масштабах становится важной технологической задачей, различным подходам к решению которой посвящены многочисленные экспериментальные и теоретические работы последних лет. Эти исследования продемонстрировали, прежде всего, сильную зависимость количественных и качественных свойств получаемого углеродного наноматериала от различных параметров синтеза. Одним из ключевых факторов является выбор металла, способного катализировать процесс образования углеродных наноструктур.
На сегодняшний день существует большое количество экспериментальных данных по влиянию выбора материала катализатора на процесс роста углеродных нанотрубок или нановолокон, однако комплексного понимания процессов, определяющих ранние стадии зарождения углеродных наноструктур на подложке катализатора на атомном уровне (адсорбирование и диффузия атомов углерода, кластеризация адатомов, образование первичных зародышей фазы графена и т.д.), до сих пор не выработано. В связи с этим представляются важными исследования особенностей межатомного взаимодействия в системе металл-углерод на поверхности и в кристаллическом объеме. Целью данной работы является изучение этого взаимодействия на атомном уровне с помощью расчетов из первых принципов в рамках теории функционала электронной плотности.

ГЛАВА 1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР
1.1. Методы получения и основные характеристики углеродных
наноматериалов.
В последние десятилетия все большее внимание исследователей во всем мире привлекают наноструктуры, которые представляют собой системы, состоящие из исчислимого числа атомов и, следовательно, подходят для решения технологических задач на атомном уровне. Длина таких объектов может изменяться от 10 до 104 А (при этом число содержащихся в них частиц может меняться от 102 до 10й) [1]. К числу хорошо известных и перспективных наноматериалов относятся углеродные наноматериалы, к которым обычно относят следующие типы структур: фуллерены, графеновые листы, нанонити (нановолокна, нанотрубки).
Фуллерены представляют собой крупные полые внутри углеродные молекулы, состоящие более чем из 20 атомов. Так, например, наиболее устойчивый фуллерен Свд имеет форму футбольного мяча (Рис. 1.1). Эти молекулы экспериментально были обнаружены в 1985 году при изучении масс-спектров паров графита, полученных в результате воздействия на графит лазерньм лучом [2]. За открытие фуллеренов Крото, Смолли и Керлу в 1996 году была присуждена Нобелевская премия по химии. Благодаря своей структуре фуллерены могут найти многочисленные практические применения [3, 4]: из них можно получать алмазные нанокристаллы; будучи легированными металлами, фуллерены могут представлять собой высокотемпературные сверхпроводники; фуллерен, внутри которого расположен атом редкоземельного элемента (тербий, гадолиний, диспрозий), обладающего большим магнитным моментом (7-10 рв), должен обладать свойствами магнитного диполя, ориентацией которого можно управлять с помощью внешнего магнитного поля.
Графеновые листы представляют собой двумерные пленки, состоящие из атомов углерода, упорядоченных в виде гексагональной сетки. По сути, это слой графита толщиной в один атом. Нанонитями называют объекты, состоящие из графеновых листов. В частности, в нановолокнах графеновые листы не параллельны общей оси, в то время как нанотрубки представляют собой свернутые цилиндром графеновые листы, образующие, таким образом, внут ренний полый канал (Рис. 1.2).

количество плоских волн для расчета. «Жесткие» псевдопотенциалы включают часть остовных электронов и, следовательно, требуют больше плоских волн, и, соответственно, большего количества расчетов. Разновидность «мягких» потенциалов - потенциалы Вандербильта, для описания которых требуется очень мало плоских волн, вследствие чего они называются «ультрамягкими» [59].
Вандербильт (D. Vanderbilt) предложил метод «ультрамягких» (ultra-soft, US) псевдопотенциалов [59]. Он ослабил требование сохранения нормы, а чтобы скомпенсировать возникающий в результате дефицит электронного заряда ввел локализованные присоединенные заряды, центр которых расположен в центре атома. Их величина равна разнице между зарядами полной и псевдо- волновой функций. В этом случае радиус обрыва псевдопотенциала можно значительно увеличить при сохранении прежней точности. Такие псевдопотенциалы требуют гораздо меньшего по сравнению с сохраняющими норму числа плоских волн в базисе, что значительно сокращает время расчетов.
В 1994 году Блёхль (P. Blochl) сформулировал подход, который был назван методом проекционно-присоединенных волн (ППВ, PAW) [60]. Этот подход являлся обобщением метода ЛППВ и метода псевдопотенциалов. В отличие от псевдопотенциалов метод ППВ включает все электроны атома. Метод ППВ основан на линейной трансформации гладкой псевдо-волновой функции 11Р) в реальную полноэлектронную волновую функцию 11Р) :
Здесь суммирование происходит по локальным вкладам Тк, действующим лишь в областях Пд, которые представляют собой неперекрывающисся сферы, с центрами в ядрах атомов. Из этого следует, что за пределами области Од пссвдопотенциальные волновые функции совпадают с полноэлектронными волновыми функциями, отсюда и член «+1» в выражении (25).
Локальные вклады Тк определяются Блёхлем с помощью реальных частичных полноэлектронных волновых функций | ф') и частичных псевдопотенциальных волновых функций | ф,) . Соотношение между ними можно записать следующим образом:
| Ч») = Т | Ч>)
Трансформация Т задается в виде:
(2.27)
(2.28)