Исследование топологических дефектов в графеновых слоях и углеродных нанотрубках

• Автор: Зинатулина, Юлия Александровна
• Шифр специальности: 01.04.07
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2009
• Место защиты: Челябинск
• Количество страниц: 136 с. : ил.

Содержание

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

ГЛАВА 1. УГЛЕРОДНЫЕ НАНОСТРУКТУРЫ И СТРУКТУРНЫЕ ДЕФЕКТЫ

1.1. Структурные дефекты

1.2. Топологические дефекты в графеновых слоях

1.3. Углеродные наноструктуры на основе топологических дефектов

1.3.1. Фуллерены

1.3.2. Углеродные нанотрубки

1.4. Соединения УНТ на основе топологических дефектов

1.5.Комбинированные углеродные наноструктуры на основе топологических дефектов

1.6. Постановка задачи исследования

ГЛАВА 2. МЕТОДИКА МОДЕЛИРОВАНИЯ
2.1. Методы расчета углеродных наноструктур и структурные модели
2.1.1. Методы молекулярной механики
2.1.2. Полуэмпирические квантово-механические методы
2.2. Структурные модели и методика моделирования
2.2.1.Методика моделирования топологических дефектов в графеновых слоях
2.2.2.Методика моделирования соединений однослойных УНТ при помощи топологических дефектов
ГЛАВА 3. РЕЗУЛЬТАТЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ ГРАФЕНОВЫХ СЛОЕВ,
СОДЕРЖАЩИХ ТОПОЛОГИЧЕСКИЕ ДЕФЕКТЫ
3.1 .Моделирование графеновых слоев, содержащих простые топологические дефекты
3.2.Результаты моделирования комбинированных топологических дефектов

ЗЛ.Моделирование формирования комбинированных топологических
дефектов в графеновых слоях
ГЛАВА 4. РЕЗУЛЬТАТЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ ЛОКТЕВЫХ СГИБОВ НА ОСНОВЕ ДЕФЕКТА
4.1. Исследование структурных характеристик соединений углеродных нанотрубок
4.2. Взаимосвязь структурных параметров сгибов УНТ
4.3. Энергетические характеристики соединений УНТ на основе дефекта
ГЛАВА 5. РЕЗУЛЬТАТЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ СОЕДИНЕНИЙ ОДНОСЛОЙНЫХ УГЛЕРОДНЫХ НАНОТРУБОК НА ОСНОВЕ ТОПОЛОГИЧЕСКОГО ДЕФЕКТА
5.1. Исследование структурных характеристик соединений УНТ на основе дефекта
5.2. Взаимосвязь структурных параметров соединений однослойных УНТ при помощи дефекта
ГЛАВА 6. ОБСУЖДЕНИЕ ПОЛУЧЕННЫХ РЕЗУЛЬТАТОВ
6.1. Топологические дефекты в графеновых слоях
6.2. Соединения углеродных нанотрубок при помощи топологических дефектов 5-7 и
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы.
Благодаря наличию дефектов кристаллического строения (вакансий, межузельных атомов, дислокаций или поверхностных дефектов) свойства реальных кристаллов коренным образом могут отличаться от свойств идеальных бездефектных структур. Особенностью вышеперечисленных типов дефектов кристаллической структуры является наличие оборванных межатомных связей и нарушение порядка в относительном расположении атомов уже в первой координационной сфере.
В последнее время все более пристальное внимание привлекает другой класс дефектов кристаллической структуры, отличительной чертой которого является наличие нарушений только дальнего порядка расположения атомов, и отсутствие оборванных межатомных связей. К таким дефектам относятся дефекты упаковки слоев и топологические дефекты в слоевых структурах. Топологические дефекты слоев могут существенным образом менять свойства исходных структур и являются причиной формирования структур, коренным образом отличающихся от исходных бездефектных структур. К примеру, формирование каркасных углеродных наноструктур (фуллеренов, нанотрубок и др.) из фрагментов графеновых слоев является следствием добавления в эти слои топологических дефектов, т.е. перестройки слоя, так что кроме гексагонов в его структуре появляются четырех-, пяти, семи или восьмиугольники. Такие дефекты могут появиться на стадии роста или очистки наноматериала, в результате ионной бомбардировки и т.д.
Исследование топологических дефектов графеновых слоев представляет интерес, так как они оказывают сильное влияние на электронные, механические и упругие свойства углеродных наноструктур. Экспериментальная идентификация топологических дефектов в углеродных наноматериалах затруднена, в настоящий момент ведется активный поиск методик их обнаружения.

в диаметре нанотрубок D и угле хиральности 0 вызывают различия в свойствах разных углеродных нанотрубок [48].
Особое место среди однослойных нанотрубок занимают так называемые armchair нанотрубки или нанотрубки с хиральностью (п, п). В нанотрубках такого типа две из С-С-связей, входящих в состав каждого шестичленного кольца, ориентированы параллельно продольной оси трубки. Как следует из расчетов, нанотрубки с подобной структурой должны обладать чисто металлической проводимостью. Кроме того, термодинамические расчеты показывают, что такие трубки обладают повышенной стабильностью и должны преобладать над трубками другой хиральности в условиях, когда преимущественно образуются однослойные нанотрубки [54].
На рисунке 1.12.а [100] изображена зигзагообразная углеродная нанотрубка диаметром 0.426 нм, полученная помощи сканирующего туннельного микроскопа. Эти изображения подтвердили, что углеродная нанотрубка представляет собой свернутый графеновый лист, и что возможно существование УНТ различных хиральностей (рис. 1.12) [100-102].
Структура многослойных нанотрубок. Нанотрубки, полученные с помощью метода дугового испарения чаще всего содержат, по меньшей мере,
Рис. 1.12. СТМ - изображение углеродных нанотрубок: (а) изображение из работы [100], стрелка указывает на зигзагообразный характер нанотрубки; (б) изображение из работы [101].