Электронное строение и размерные свойства углеродных нанотрубок малых диаметров

• Автор: Ганин, Александр Андреевич
• Шифр специальности: 01.04.10
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2013
• Место защиты: Воронеж
• Количество страниц: 154 с. : ил.

Оглавление

Список основных обозначений и сокращений

Введение
ГЛАВА 1. Аналитический обзор теоретических и экспериментальных данных о строении и электронной зонной структуре углеродных нанотрубок

1.1 Строение и структура углеродных нанотрубок

1.2 Классификация углеродных нанотрубок по их хиральности, типу проводимости, числу стенок
1.3 Модель описания электронной зонной структуры углеродных нанотрубок в приближении метода сильной связи и плоской элементарной ячейки

1.3.1 Основные положения метода сильной связи

1.3.2 Расчёты зонной структуры углеродных нанотрубок методом сильной связи с плоской элементарной ячейкой
1.4 Эффекты кривизны и развитие методов, использующих плоскую элементарную ячейку. Первопринципные методы с цилиндрической элементарной ячейкой
1.5 Эффекты, связанные с ограниченностью углеродных нанотрубок по длине
1.6 Экспериментальные данные по зонной структуре и ширине запрещённой зоны углеродных нанотрубок
1.7 Энергия ионизации и работа выхода нанотрубок
1.7.1 Теоретические расчёты
1.7.2 Экспериментальные данные
1.8 Энергия межуглеродной связи и стабильность одностенных углеродных нанотрубок

1.9 Функционализация углеродных нанотрубок и её влияние на их электрохимические свойства
Краткие выводы к главе
ГЛАВА 2. Методы квантово-химических расчётов и программное обеспечение, использованные в работе
2.1 Основные положения теории функционала плотности
2.2 Квантовохимические базисы, использованные в работе
2.3 Генерация структур углеродных нанотрубок
2.4 Программный комплекс Gaussian 2003 и технические параметры расчёта зонной структуры
2.5 Обработка выходных данных программного комплекса Gaussian и построение зонных диаграмм нанотрубок
2.6 Использованные приближения для расчёта ширины запрещённой зоны, энергии Ферми, энергии ионизации и энергии связи углеродных нанотрубок
Краткие выводы к главе
ГЛАВА 3. Результаты расчётов зонной структуры и энергии связи одностенных и многостенных углеродных нанотрубок
3.1 Результаты оптимизации геометрической структуры и длины связи в углеродных нанотрубках
3.2 Зонная структура одностенных углеродных нанотрубок
3.2.1 Зонная структура кресельных нанотрубок
3.2.2 Зонная структура зигзагообразных нанотрубок
3.3 Зависимость параметров зонной структуры от диаметра в одно-стенных углеродных нанотрубках сверхмалых диаметров
3.4 Зависимость энергии связи от диаметра в одностенных углеродных нанотрубках сверхмалых диаметров
Краткие выводы к главе

ГЛАВА 4. Геометрическая структура и морфология ахиральных фторированных одностенных углеродных нанотрубок
4.1 Универсальная система параметров описания геометрической
структуры изомеров А и В ахиральных одностенных Р-ОУНТ
4.2 Определение трансляционного вектора и других геометрических
характеристик элементарной ячейки изомеров А и В ахиральных Б-
ОУНТ с помощью универсальной системы параметров
4.2.1 Изомер А кресельных Р-ОУНТ
4.2.2 Изомер А зигзагообразных Р-ОУНТ
4.2.3 Изомер В кресельных Р-ОУНТ
4.2.4 Изомер В зигзагообразных Р-ОУНТ
4.3 Полиморфизм элементарных ячеек Р-ОУНТ
Краткие выводы к главе
ГЛАВА 5. Электронная зонная структура ахиральных фторированных одностенных углеродных нанотрубок
5.1 Зарядовые свойства фторированных ОУНТ
5.2 Зонная структура и ширина запрещённой зоны в Р-ОУНТ
5.2.1 Изомер А ахиральных Р-ОУНТ
5.2.2 Изомер В ахиральных Р-ОУНТ
5.3 Стабильность и энергия связи во фторированных ОУНТ
Краткие выводы к главе
Заключение
Список использованной литературы
ПРИЛОЖЕНИЕ 1. Результаты расчёта зонной структуры кресельных ОУНТ
хиральностей от (6, 6) до (15, 15)
ПРИЛОЖЕНИЕ 2. Результаты расчёта зонной структуры зигзагообразных ОУНТ хиральностей от (0, 9) до (0, 25)

работа выхода разных нанотрубок различается не более чем на 0.6 эВ, при том, что в большинстве случаев диапазон различий ещё уже (0.2 эВ).
1.8 Энергия межуглеродной связи и стабильность одностенных углеродных нанотрубок
Энергия связи молекулы представляет собой разность между полной энергией всех атомов, входящих в молекулу, по отдельности и энергией системы атомов в связанном состоянии (молекулы). Эта энергия имеет важное значение для физики и химии, поскольку характеризует стабильность молекулы и отчасти её реакционную способность. Энергия связи может быть рассчитана как на атом, так и на связь.
Углеродные нанотрубки получаются свёртыванием графенового листа, который в свою очередь можно рассматривать как графитовую плоскость, в которой атомы углерода находятся в состоянии ьр2-гибридизации и образуют промежуточную между одинарной и двойной - полуторную связь. Средние энергии связей между атомами углерода приведены в таблице 1.2. [74] Энергия и длина полуторной связи лежат между энергиями связи и длинами одинарной и двойной связей и составляют 490 кДж/моль и 142 пм соответственно. [2, 75]
Таблица 1.
Средние значения энергии связи и длины между атомами углерода, согласно [74].
Связь Тип связи Длина связи, пм Энергия связи, кДж/моль
С-С Одинарная 120
С=С Двойная 134
С=С Тройная 154
Термодинамическая стабильность углеродных нанотрубок определяется конкурирующими факторами. Во-первых, энергия увеличивается из-за деформации изгиба химических связей при свёртывании графенового листа в трубку, а во-вторых, энергия уменьшается за счёт того, что оборванные пи связи графенового