Исследование электронного строения функционализированных углеродных нанотрубок спектроскопическими методами с использованием синхротронного излучения

• Автор: Бржезинская, Мария Михайловна
• Шифр специальности: 02.00.04
• Научная степень: Докторская
• Год защиты: 2012
• Место защиты: Челябинск
• Количество страниц: 332 с. : ил.

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. Обзор исследований структуры и электронного строения

углеродных нанотрубок

1.1. Общие закономерности структуры одностенных и многостенных углеродных нанотрубок.Функционализация.

1.2. Электронные состояния в углеродных нанотрубках.

1.3. Природа процессов.

1.4. Химсдвиги в углеродных системах. Галогснизация.

1.5. Исследование наногрубок методом характеристических потерь энергии электронами

1.6. Постановка задачи

ГЛАВА 2. Экспериментальные детали исследования

2.1. Образцы и модели, использованные в исследовании

2.1.1. Многостенные углеродные нанотрубки.
2.1.2. Фторированные многостенные углеродные нанотрубки.
2.1.3. Фторид графита.
2.1.4. Одностенные углеродные нанотрубки
2.1.5. Фторированные одностенные углеродные нанотрубки
2.1.6. Одностенные углеродные нанотрубки
2.1.7. Высокоунорядоченный пиролитический графит
2.1.8. Наноалмазы.
2.1.9. Многостенные углеродные нанотрубки2.
2. ЕЮ.Модсли ультратонких одностенных углеродных наногрубок
2.2. Методики спектроскопических исследований.
2.2.1. Взаимодействие излучения и частиц с веществом
2.2.2. Методика проведения экспериментов методом спектроскопии характеристических потерь энергии электронами, ожеспектроскопии и рентгеновской фотоэлектронной спекгроскопии
2.2.3. Методика проведения экспериментов методом фотоэлектронной спектроскопии и рентгеновской
абсорбционной спектроскопии с использованием синхротронного излучения
2.2.4. Методика проведения экспериментов по воздействию
ионами на структуру углеродных нанотрубок.
2.2.5. Методика проведения экспериментов но дегалогенизации фторированных углеродных ианотрубок.
2.3. Мониторирование углеродных загрязнений оптических элементов каналов вывода синхротронного излучения
на электронных накопителях.
2.3.1. Описание РоссийскоГерманского канала вывода синхротронного излучения на электронном накопителе II
2.3.2. Мониторирование углеродных загрязнений оптических элементов каналов вывода синхротронного
излучения.
2.4. Методика зонных расчетов электронного строения
углеродных наногрубок
2.4.1. Выражения для базисных функций
2.4.2. Гамильтониан и матрицы перекрывания.
2.4.3. Электронная плотность и потенциал.
ГЛАВА 3. Исследования графита
спектроскопическими методами
3.1. Атомное и электронное строение графита
3.2. Особенности X спектра графита
3.3. Характеристические потери энергии электронами в рафите.
Плазмоны и их дисперсия
3.3.1. Экспериментальные результаты и их качественная интерпретация.
3.3.2. Закономерности дисперсии тгаплазмонов в графите.
3.3.3. Закономерности дисперсии лплазмонов в графите
3.4. фотоэлектрониыс спектры графита. Сателлиты
3.4.1. Общий анализ сателлитов в графите
3.4.2. Дисперсия лплазмонов.
3.4.3. Дисперсия сверхдальних плазмонов
3.5. Обсуждение и выводы по главе
ГЛАВА 4. Исследования электронного строения
углеродных нанотрубок спектроскопическими методами.
4.1. Структура зон в углеродных нанотрубках.
4.1.1 Общие замечания.
4.1.2 Строение зон в ультратонких одностенных нанотрубках.
4.2. ЫЕХАР спектры углеродных нанотрубок.
4.3. Характеристические потери энергии электронами
в углеродных нанотрубках. Свойства плазмонов
4.3.1. Экспериментальные результаты
и их качественная интерпретация
4.3.2. Общие свойства плазмонов. в углеродных нанотрубках.
4.4. Фотоэлектронные С спектры углеродных нанотрубок
ГЛАВА 5. Модификация электронной структуры углеродных нанотрубок
под действием физических факторов.
5.1. ЫЕХАЕБ спектры облученных нанотрубок.
5.2. Характеристические потери энергии электронами
в облученных нанотрубках
5.2.1. Потери на возбуждение кэлектронов
5.2.2. Потери на возбуждение яаэлектронов
5.3. Фотоэлектронные СЬспсктры облученных ионами
углеродных нанотрубок.
ГЛАВА 6. Спектроскопические исследования фторированных
углеродных нанотрубок.
6.1. Фотоэлектронные спектры фторированных нанотрубок.
6.1.1. С1и Пзфотоэлсктронные спектры МСНТ.
6.1.2. Ояфотоэлектронные спектры ОСНТ.
6.1.3. Сателлиты вблизи С1 и Ппиков
в фотоэлектронных спектрах фторированных МСНТ.
6.1.4. Моделирование сателлитных спектров
фторированных МСНТ
6.2. Исследование влияния фторирования на ЫЕХАЯБ спектры углеродных нанотрубок
6.2.1. Влияние фторирования на ХАЕБ спектры МСНТ.
6.2.2. Влияние фторирования на ЫЕХАГЗ спектры ОСНТ.
6.3. Термическое дегалогенирование углеродных нанотрубок.
6.3.1. Термическое дегалогенирование МСНТ.
6.3.2. Термическое дегалогенирование ОСНТ.
Выводы но главе
ОСНОВНЫЕ НАУЧНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ
БИБЛИОГРАФИЯ


Н гамильтониан двухатомной системы с потенциальной энергией V в 1. А или В. Приведенные выше простые выражения метода сильной связи позволяют легко представить взаимное расположение уровней. Уровни типа Е заняты электронами, а уровни типа Е2 свободны. Если атомы одинаковы, то максимумы плотности состояний в валентной зоне и зоне проводимости располжены приблизительно симметрично относительно уровня Ферми. Этот эффект проверен экспериментально, см. Если атомы различны, то возникает асимметрия уровней. В главе 6 представлены результаты моделирования сателлитных спектров полуэмпирическим методом сильной связи. Представим кратко идеологию проведенных расчетов . Использован полуэмпирический метод квазимолекулярной расширенной элементарной ячейки КРЭЯ, в котором в качестве базиса использованы атомные волновые функции щ функции 5 или рсимметрии, выбранные в слэтеровском виде с показателями экспонент для 2л и 2электронов 1. Р эффективный гамильтониан взаимодействия электронов внуфи КРЭЯ, т количество атомных орбиталей, входящих в КРЭЯ, 5 интеграл перекрывания. На рис. КРЭЯ, которые использовались при расчетах упрощенная а и реально отображающая зигзагообразный край прикрепления фтора к углеродной среде нанофубки б. Цифры на рисунке отмечают позиции возможного присоединения атомов фтора к углероду. При проведении расчетов осуществлено поэтапное заполнение всех указанных позиций атомами фтора, начиная с первой. Вычисление зонной дисперсии в валентной зоне фторуглсродной цепи и волновых функций валентных электронов произведено в точках приведенной зоны Бриллюэна ЗБ. Для определения плотности состояний число точек, в которых определена зонная энергия и волновые функции, было увеличено до 4 методом линейной эксфаполяции. ЫЕ5ЕЕл аЕ, ,. Рис. Схематическое представление расширенных элементарных ячеек а линейная, б зигзагообразная, используемых при численном моделировании структуры зон фторированных нанотрубок. Цифры отмечают позиции возможного присоединения атомов фтора. Моделирование сателлитных спектров, существующих вблизи остовных линий углерода и фтора и обусловленных встряской валентной системы остовной вакансией или осуществлено с помощью следующей расчетной схемы. У,. Г 5 ,,, 1. МСУ2 вероятность монопольных межзонных переходов, которая в данном расчете принята одинаковой для всех подзон МСу2. Крамерса Кронига , определена действительная часть диэлектрической функции е,. Нули действительной части диэлектрической функции е, определяют резонансную энергию межзонных переходов, а также плазменную энергию. Сателлитные спектры отождествлялись с функцией потерь 1, при условии, что диэлектрическая функция определяется только монопольными межзонными переходами 1. Л, 1. Результаты расчетов и их обсуждение отнесено в главу 6. Информация о структуре зон в углеродных нанотрубках приводится в главе 4 см. Связано это с необходимостью обсуждения конкретных закономерностей в спектроскопических данных для ОСНТ и МСНТ, опираясь на их зонное строение. В данном параграфе внимание сконцентрировано на наиболее общих закономерностях электронною строения ОСНТ в одноэлектронном приближении. Дисперсия энергии электронов в углеродных нанотрубках в лэлсктронном приближении сходна с дисперсией энергии для графенового листа имеется линейная зависимость энергии от волнового числа вблизи уровня Ферми, лэлектронное приближение большей частью используется при анализе электропроводности нанотрубок, особенностей рамановских спектров, поглощения света нанотрубками в ИК области , . Расчеты структры лподзон методом сильной связи для однослоевого графита графена впервые проведены Уоллесом в году, и затем продолжены, расширены и конкретизированы рядом других авторов см. Число эмпирических параметров у с помощью которых детали закона дисперсии лэлектронов подгоняются в соответствие с экспериментом, достаточно велико. У со5К. Кгс учИо 2Хз соК,с, 0 2. Е0 значение энергии, которое принимает яэлектрон в одном из углов К двумерной шестиугольной зоны Бриллюэна см. Х кк0 составляющая волнового вектора в слое х или у на рис.