Физико-химические свойства нанотубулярных систем в кластерных моделях твердых тел

• Автор: Лебедев, Николай Геннадьевич
• Шифр специальности: 02.00.04
• Научная степень: Докторская
• Год защиты: 2006
• Место защиты: Волгоград
• Количество страниц: 302 с. : ил.

1.1 Классификация нанотубулярных структур.

1.2 Электронное строение углеродных нанотрубок

1.3 Физические свойства нанотрубок

1.3.1 Проводящие свойства углеродных нанотрубок.

1.3.2 Фононные свойства нанотрубок

1.3.3 Механические свойства нанотрубок

1.4 Основные методы синтеза нанотрубок

1.5 Адсорбционные свойства углеродных нанотрубок

1.6 Неуглеродные нанотубулярные структуры.

1.7 Модели образования и роста углеродных нанотрубок

1.7.1 Зарождение нанотрубок на полиеновых кольцах.

1.7.2 Зарождение нанотрубок на полусфере фуллерена
1.8 Применение нанотубулярных структур в науке и технике
1.8.1 Жидкостные и газовые устройства.
1.8.2 Применение остриев нанотрубок.
1.8.3 Углеродные нанотрубки в электронике.
ГЛАВА 2 Методы исследования физикохимических свойств нанотубулярных материалов
2.1 Кластерные модели твердых тел.
2.1.1 Модель молекулярного кластера.
2.1.2 Модель квазимолекулярной расширенной элементарной ячейки .
2.1.3 Модель периодического кластера
2.1.4 Основные требования для кластерных моделей
2.1.5 Энергетические характеристики зонной структуры твердых тел в кластерных моделях
2.2 Модель ионновстроенного орбитальностехиометрического кластера
2.2.1 Модель псевдомолекулярного орбитальностехиометрического кластера. Качественная теория
2.2.2 Выбор локализованных орбиталей
2.2.3 Модель ионновстроенного орбитальностехиометрического кластера .
2.3 Модель ионновстроенного ковалентноциклического кластера.
2.4 Модель ионновстроенного стехиометрического кластера
2.5 Электронное строение углеродных и неуглеродных нанотрубок
2.5.1 Электронное строение углеродных нанотрубок.
2.5.2 Электронное строение боронитридных нанотрубок
2.5.3 Электронное строение нового класса неуглеродных нанотрубок на основе фосфида алюминия
2.5.4 Электронное строение боронитридных нанотрубок нового класса типа хаекелит
2.6 Применение модели ОСК к исследованию возможности существования ферромагнитной фазы углерода.
2.7 Выводы.
ГЛАВА 3 Адсорбция атомов водорода и фтора на поверхности углеродных и
боронитридных нанотрубок.
3.1 Электронное строение одноатомных гидридов углеродных нанотрубок
3.2 Электронное строение многоатомных гидридов углеродных нанотрубок
3.3 Атомарная гидрогенизация углеродных нанотрубок.
3.3.1 Адсорбция атома водорода на поверхности 6, 6 нанотрубки
3.3.2 Адсорбция атома водорода на поверхности ,0 нанотрубки
3.3.3 Адсорбция атома водорода на поверхности хиральных нанотрубок .
3.4 Атомарное фторирование углеродных нанотрубок.
3.5 Хиральный адсорбционный эффект.
3.6 Гидрогенизация боронитридных нанотрубок
3.6.1 Электронное строение гидридов боронитридных нанотрубок
3.6.2 Атомарная гидрогенизация боронитридных нанотрубок.
3.6.3 Исследование миграции атома водорода по поверхности боронитридной нанотрубки
3.7 Проблемы водородной энергетики. Основы технологии насыщения углеродных нанотрубок водородом.
3.8 Выводы
ГЛАВА 4 Механизмы образования углеродных нанотрубок на поверхности алмаза .
4.1 Механизм сорбции углеродных частиц на 1 поверхности алмаза
4.1.1 Адсорбция атомарного углерода на поверхности алмаза.
4.1.2 Адсорбция димеров и тримеров углерода.
4.2 Механизм зарождения и роста углеродных нанотрубок i типа на 1 поверхности алмаза
4.2.1 Формирование 6,0 нанотрубки на 1 поверхности алмаза
4.2.2 Формирование 6,0 нанотрубки димерами углерода.
4.2.3 Формирование 6,0 нанотрубки тримерами углерода
4.2.4. Формирование 6,0 нанотрубки полиеновыми кольцами
4.3 Выводы
ГЛАВА 5 Пьезоэлектрические свойства углеродных и боронитридных нанотрубок
5.1 Электронное строение сегнетоэлектрических кристаллов
5.1.1 Электронная структура сегнетоэлектриков типа
5.1.2 Электронное строение сегнетоэлекгрика нитрита натрия
5.1.3 Электронное строение поливинилиденфторида с дефектами замещения .
5.2 Метод расчета пьезоэлектрических характеристик нанотрубок.
5.3 Пьезоэлектрические константы боронитридных нанотрубок.
5.4 Влияние точечных дефектов на пьезоэлектрические свойства боронитридных нанотрубок
5.5 Пьезоэлектрические константы углеродных нанотрубок
5.6 Выводы.
ГЛАВА 6 Исследование физических свойств углеродных нанотрубок
6.1 Проводимость углеродных нанотрубок.
6.1.1 Расчет проводимости однослойных углеродных нанотрубок
6.1.2 Тензор проводимости многослойных углеродных нанотрубок
6.2 Фононный спектр углеродных нанотрубок
6.2.1 Фононный спектр однослойных углеродных нанотрубок
6.2.2 Фононный спектр двухслойных углеродных нанотрубок
6.2.3 Учет ангармонических поправок межатомного потенциала.
6.3 Косвенное взаимодействие примесных спинов
6.4 Учет электронфононного взаимодействия.
6.5 Выводы.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
ЛИТЕРАТУРА


Это остается справедливым даже в случае небольшого отклонения волнового вектора, соответствующего энергии Ферми, от идеальной точки К в результате влияния кривизны трубки. Энергетическое дисперсионное соотношение для НТ i типа получается при подстановке разрешенных значений кх 1. Результирующие рассчитанные одномерные соотношения Ек для 5, 5 НТ показаны на рис. Ветви Л являются не вырожденными, а Е ветви двукратно вырождены, так что в этом случае общее число валентных ветвей равно знаки и обозначают несвернутые и свернутые ветви соответственно. Можно видеть, что валентная ветвь и ветвь зоны проводимости соприкасаются в месте, составляющем две трети расстояния от к 0 до границы зоны к тса. Вычисления показывают, что все i нанотрубки имеют подобную зонную структуру . Зэкм 2 , ,. Для всех нанотрубок типа i анализ энергетических зон указывает на вырождение на границе при ка тс, так что уравнение 1. Так, для 5, 5 НТ получены шесть дисперсионных соотношений для зоны проводимости и то же количество для валентной зоны. Кроме вырождения на границе, имеет место факт пересечения валентной зоны и зоны проводимости в точке к, находящейся на расстоянии от точки к 0 отрезка О, 7са. Изза наличия вырожденной точки между валентной зоной и зоной проводимости НТ 5, 5 будет обладать металлической проводимостью при конечных температурах. Таким образом, НТ 5, 5, согласно описываемым расчетам, есть полупроводник с нулевой щелью, подобно двумерному графеновому слою . Энергетические зоны для i НТ , 0 могут быть получены из уравнения 1. Разрешенные значения волновых векторов в зоне Бриллюэна на примере нанотрубки 9, 0 наглядно изображены на рис. Использование условия 1. НТ типа i
Ек . Ч У У
Энергетическое дисперсионное соотношение для 9, 0 НТ приводится на рис. Здесь имеются две невырожденные ветви Л и восемь двукратно вырожденых ветвей Е общим числом . Валентная ветвь и ветвь зоны проводимости касаются в точке к 0, так что в этом случае НТ является проводником. Причину этого можно понять из рисунка 1. НТ, а только когда п кратно трем. Так, для , 0 трубы существует энергетическая щель между валентной ветвью и ветвью проводимости при к 0, как показано на рис. В результате, только у нанотрубок п, 0 следует ожидать металлическую проводимость. Другие две трети НТ типа i будут иметь полупроводниковую проводимость. Удивителен тот факт, что п, 0 НТ могут быть как металлическими, так и полупроводящими в зависимости от выбора п т. Таким образом, 5, 5 и 9, 0 НТ имеют энергетические зоны, которые пересекаются на уровне Ферми Ер 0, обеспечивая металлическую проводимость. В обоих случаях пересечение валентной зоны и зоны проводимости происходит при Ер 0, так как соответствующие двумерные энергетические зоны пересекаются в точке К двумерной зоны Бриллюна, где вырождены двумерные графеновые энергетические состояния для зоны проводимости и валентной зоны. Было также выяснено , , , , что энергетическая щель у i НТ п, 0 уменьшается с увеличением числа п т. V3x соответствует операции вращения У в пространственной групповой симметрии 0Тт. VX x2 2 V2,

1. Результаты расчета одномерной электронной структуры методами, не учитывающими явно кривизну поверхности нанотрубки, показывают, что среди углеродных НТ малого диаметра около одной трети металлические, а две трети полупроводящие, в зависимости от диаметра с и хирального угла 0. Более детальные анализы соотношений Ек для хиральных нанотруб показывают, что они могут быть классифицированы по трем категориям 9. Вопервых, если уравнение 1. Ф Зр, то НТ является полупроводником с узкой запрещенной щелью. Для НТ, для которых выполняется условие т п Зр и для которых ожидается металлическая проводимость, существуют два случая 1 если выполнено условие п т Згск, где с1я наибольший общий делитель п и т, а г целое число, то вырождение между валентной зоной и зоной проводимости на уровне Ферми обнаруживается при к 2яЗТ, где Т длина вектора решетки одномерной элементарной ячейки 2 если тубулены соответствуют как условию п т Зр, так и условию п 1 Згбя, вырождение на уровне Ферми происходит при к 0 и предполагает четырехкратное вырождение. Зр,
МЕр
1.