Моделирование роста и свойств углеродных наноструктур

• Автор: Лебедева, Ирина Владимировна
• Шифр специальности: 01.04.17
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2011
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 172 с. : ил.

ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение

1. Методы расчета

1.1. Многомасштабное моделирование

1.1.1. Теория функционала плотности

1.1.2. Молекулярная динамика

1.1.3. Эмпирические потенциалы

1.1.4. Метод упругой ленты

2. Моделирование процессов образования углеродных наноструктур

2.1. Литературный обзор

2.2. Расчеты кинетики рос га углеродных нанотрубок на катализаторе

2.2.1. Кинетика преобразований углеводородов в г азовой фазе
2.2.2. Модель роста углеродных нанотрубок
2.2.3. Результаты расчетов кинетики роста углеродных нанотрубок
2.2.4. Выводы
2.3. Моделирование структурных преобразований углеродных наноструктур
2.3.1. Молекулярно-динамическое моделирование сворачивания листа графена
2.3.2. Кинетика образования дефектов
2.3.3. Кинетика преобразования структуры в идеальную
2.3.4. Выводы
3. Моделирование относительного движения слоев углеродных наноструктур
3.1. Литературный обзор
3.2. Моделирование относительных колебаний слоев углеродной нанотрубки
3.2.1. Молекулярно-динамические расчеты добротности
3.2.2. Моделирование управляемых колебаний гигагерцового осциллятора
3.2.3. Выводы
3.3. Моделирование относительных колебаний слоев графена
3.3.1. Анализ поверхности потенциальной энергии межелойного взаимодействия
3.3.2. Классический потенциал для взаимодействия слоев графена
3.3.3. Молекулярно-динамические расчеты добротности нанорезона гора ira основе графена
3.3.4. Выводы
3.4. Моделирование диффузии чешуйки графена на слое графена
3.4.1. Зависимость рельефа потенциальной энергии чешуйки графена от угла поворота
3.4.2. Молекулярно-динамическое моделирование диффузии чешуйки
3.4.3. Анализ механизмов диффузии чешуйки
3.4.4. Влияние дефектов на диффузию чешуйки
3.4.5. Выводы
Заключение
Список литературы

Введение
В последнее время ведутся активные исследования: углеродных наноструктур (нанотрубки, фуллерены, графен), которые благодаря своим уникальным механическим*, электрическим, оптическим . и химическим свойствам представляют огромный интерес для микроэлектроники, оптики, микробиологии, разработки композитов и т.д; Для- реализации значительных перспектив практического использования углеродных наноструктур необходимо глубокое понимание физических механизмов, лежащих в основе ■ их синтеза, а также знание свойств, определяющих поведение этих наноструктур В’различных условиях. Миниатюрные размеры этих объектов затрудняют получение информации экспериментальным путем, поэтому основным источником такого знания является-компьютерное моделирование.
Несмотря на’ значительный прогресс, достигнутый в получении разнообразных углеродных наноструктур в лабораторных условиях [1 - 3], их синтез в промышленных масштабах требует оптимизации и повышения эффективности данного процесса, Кроме того, свойства нанообъектов сильно варьируются в зависимости от их атомистической структуры. Поэтому эффективное использование наноструктур для тех или иных приложений невозможно без умения контролировать их структуру в процессе синтеза. Большая часть работ в данной области направлена на установление эмпирических связей между структурой синтезируемых нанообъектов и параметрами синтеза. Такой подход не дает .полного понимания рассматриваемого процесса, а полученные эмпирические зависимости характеризуются довольно узкой областью применимости. Поэтому требуется разработка предсказательной теоретической модели образования углеродных наноструктур. Заметен также интерес к манипуляции структурой отдельных нанообъектов. В частности, были, продемонстрированы возможности создания композитов на основе • нанотрубок и листов графена [4], селективной функционализации листа графена [5], вырезания полосок
графена заданной формы [6], формирования нанопроволок углерода [7], преобразования чешуйки графена в фуллерен [8]. Для понимания и развития данных методов требуется анализ механизмов структурных преобразований углеродных наноструктур.
Углеродные наноматериалы, состоящие из слоев, связанных слабыми силами Ван-дер-Ваальса, идеально подходят для создания наноэлектромеханических систем (НЭМС) [9, 10]. Недавно был предложен целый ряд систем, использующих слои углеродных нанотрубок [11, 12] и графена [13 - 15] в качестве подвижных элементов, такие как вращательная и плоская втулки подшипника [16], нанопривод [17], электромеханический нанопереключатель [18], наноактуатор [19], броуновский мотор [20], нанореле [21, 22], пара наноболт-наногайка [23 - 25], нанотермометр [26], гигагерцовый осциллятор [27, 28] и сверхвысокочастотный нанорезонатор [29, 30]. Из-за малого размера данных устройств диссипация и флуктуации становятся для них особенно важными. Поэтому исследование механизмов диссипации на нанометровых размерах и их зависимости от структуры системы также представляет собой весьма актуальную задачу. Практическая реализация предложенных НЭМС определяется их способностью стабильно работать на макроскопических временах. Это, в частности, требует развития методов управления движением нанообъектов, составляющих донные системы. Поведение наноразмерных приборов на больших временах сильно зависит от их атомистической структуры, в том числе, от содержания дефектов. Атомистические методы моделирования, широко используемые в литературе для исследования данных систем, ограничены временами порядка 10 не - 1 мкс. Поэтому значительный практический интерес представляет разработка многомасштабной модели, позволяющей установить связь между характеристиками НЭМС и атомистической структурой их компонент.
Задача данной работы состояла, во-первых, в определении условий, при которых можно контролировать скорость роста углеродных нанотрубок и их структуру. Во-вторых, в анализе механизмов преобразования углеродных

2 ^ау-іау
к0ехр
Г Еа Л V к^ )
- к0ехр + к0 ехр + 2 к0 ехр
ґ Еа л

V квТ ґ Е“ Л
V к*Т )
[сн]а л + к0 ехР [С2Н]а-к0Мааехр
сн2 а/г -к0ехр

Ґ г-а л 3<-
V ЬВТ;
[сяуя!
V *вТ,
( гра Л
А10<-
V в /

IС2Н2а -к0А’аа ехр

V V къТ;
к0 ехр
[СН]а/г-к0ехр
[СНШа с<

+ £0 еху>

Ґ т;а

[С2Н]а-к0Мааехр [СЯ]в[С]я
4[Я1 ^
- 1 V = у лг г N
^ /-и'ау^ау ау

к к*Г;
1 Ен°:#уП*„уГа/г/аехр

- к0 ехр

+ Уу-рси>ЬиУсн^/у/аехр
-2а,к0ехр

+ &0 ехр + &0 ехр + к0 ехр
+ к0ехр + к0 ехр + к0 ехр

Л т?а 3->

V *вГу

Чі/г^о [ся 1, Л - к<> ехР [С2ИАа /у-^ехр
ЕУ № ,
{ г'а N 3<-
[СЯз]аЛ-^0«р|-^ №№],
/ Еа N
Е-'Д*

-ЛЛ [ед1Л-*ь«р
V квТ
Ёь* к*Т )
къТ у
Ґ га Еб<г-

Л г« л

[С2^2]аЛ-*0еЛР
■«-о.
V М У
[СЯ]ЛЯ], [ЛЛЧ [С2яз] ЛЯ] [суЩЧ [мЛЛЧ
(2.2.12)
Индекс а соответствует плоской (I) или ступенчатой (э) областям поверхности, индекс у используется для суммирования по двум областям поверхности, N - среднее число центров в области поверхности у, которые являются соседними по отношению к одному центру в области поверхности