Связь атомной структуры углеродных нанокластеров с их электронными и химическими свойствами

• Автор: Томилин, Феликс Николаевич
• Шифр специальности: 02.00.04
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2002
• Место защиты: Красноярск
• Количество страниц: 92 с. : ил

СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР.

1.1.1 ОТКРЫТИЕ ФУЛЛЕРЕНОВ.

1.1.2 ОБЗОР НЕКОТОРЫХ МОДЕЛИ ФОРМИРОВАНИЯ

ФУЛЛЕРЕНОВ.

1.2.1 ИСТОРИЯ ОТКРЫТИЯ НАНОТРУБОК.

1.2.2 СТРУКТУРА НАНОТРУБОК

1.2.3 ЭЛЕКТРОННЫЕ СВОЙСТВА УГЛЕРОДНЫХ

НАНОТРУБОК.

1.2.4 ВЛИЯНИЕ ДЕФЕКТОВ НА ЭЛЕКТРОННЫЕ СВОЙСТВА

НАНОТРУБОК.
1.2.5 ЭЛЕКТРОННАЯ СТРУКТУРА И ФИЗИКОХИМИЧЕСКИЕ
СВОЙСТВА УГЛЕРОДНЫХ НАНОТРУБ.
1.2.6 СПЕКТРОСКОПИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
НАНОТРУБОК.
1.2.7 ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА НАНОГРУБОК.
ГЛАВА 2 МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
2.1 АЛГОРИТМ РАСЧЕТОВ.
2.2 МОЛЕКУЛЯРНАЯ МЕХАНИКА.
2.3 ТЕОРИЯ МОЛЕКУЛЯРНЫХ ОРБИТАЛЕЙ.
2.4 ПОВЕРХНОСТЬ ПОТЕНЦИАЛЬНОЙ ЭНЕРГИИ СИСТЕМЫ
И ОПТИМИЗАЦИЯ ГЕОМЕТРИИ
2.5 УПРОЩЕНИЕ МЕТОДА ССП ХАРТРИФОКАРУТААНА
2.6 ГЮЛУЭМПИРИЧЕСКИЙ МЕТОД РМЗ
2.7 ПОСТРОЕНИЕ ЭЛЕКТРОННЫХ ПЛОТНОСТЕЙ.
2.8 КВАНТОМЕХАНИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
2.9 ПРОГРАММЫ И ОБОРУДОВАНИЕ
ГЛАВА 3. ИССЛЕДОВАНИЕ МОЛЕКУЛ ФУЛЛЕРЕНОВ.
3.1 МОЛЕКУЛЫ ФУЛЛЕРЕНОВ, ИЗУЧАЕМЫЕ В РАБОТЕ
3.2 СИММЕТРИЯ ФУЛЛЕРЕНОВ
3.3 АТОМНАЯ СТРУКТУРА МОЛЕКУЛ ФУЛЛЕРЕНОВ
3.4 ЭЛЕКТРОННАЯ СТРУКТУРА МОЛЕКУЛ ФУЛЛЕРЕНОВ
3.5 ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ МОЛЕКУЛ
ФУЛЛЕРЕНОВ.
3.6 ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ПРОВЕДЕННЫХ
КВАНТОВОХИМИЧЕСКИХ РАСЧЕТОВ.
3.7 МОДЕЛЬ СИНТЕЗАСБОРКИ ФУЛЛЕРЕНОВ
3.8 ВЫВОДЫ ПО МОДЕЛИ СИНТЕЗАСБОРКИ МОЛЕКУЛ
ФУЛЛЕРЕНОВ.
ГЛАВА 4 ИССЛЕДОВАНИЕ НАНОТРУБОК
4.1 ВЫБОР ОБЪЕКТОВ ИССЛЕДОВАНИЯ.
4.2 РЕЗУЛЬТАТЫ РАСЧЕТОВ НАНОКЛАСТЕРОВ.
4.3 ОБСУЖДЕНИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ КВАНТОВОХИМИЧЕСКИХ
РАСЧЕТОВ НАНОТРУБОК
4.4 ИЗУЧЕНИЕ ВЛИЯНИЯ ПЯТИ И СЕМИУГОЛЬНЫХ
ДЕФЕКТОВ НА ЭЛЕКТРОННУЮ СТРУКТУРУ
4.5 ОБСУЖДЕНИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ
4.6 ПОДТВЕРЖДЕНИЯ.
4.7 ВЫВОДЫ
ГЛАВА 5. ая МОДЕЛЬ ХИМИЧЕСКОЙ СВЯЗИ УГЛЕРОДНЫХ
НАНОСТРУКТУР.
5.1 ЭЛЕКТРОННАЯ СТРУКТУРА МОЛЕКУЛЫ СЫ И БЕНЗОЛА
5.2 ая МОДЕЛЬ ХИМИЧЕСКОЙ СВЯЗИ.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ.
БЛАГОДАРНОСТИ
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК.
ВВЕДЕНИЕ
Актуальность


Работа поддержана госпрограммами ВТСП 9 и Фуллерены и атомные кластеры 8 iii i ivii в рамках проекта . ФЦП Государственная поддержка интеграции высшего образования и фундаментальной науки, грант , и 6 конкурса научных проектов молодых ученых РАМ грант 5. Целыо работы является определение сходства между зафиксированными и незафиксированными молекулами фуллеренов квантовохимическими методами исследования, анализ природы химической связи в углеродных нанокластерах, объясняющей их химические свойства. Научная новизна. В работе впервые представлена модель синтеза фуллеренов, основанная на морфологическом сходстве между зафиксированными углеродными кластерами. По сравнению с другими данная модель объясняет существование структур Сзг , Си отсутствие малых фуллеренов промежуточных структур между и С7П структурных изомеров молекул СУ,о и Сщу а также многих изомеров молекул высших фуллеренов. Впервые проведены расчеты парциальных электронных плотностей для углеродных нанотрубок. Показано, что это объекты с малой долей л состояний на потолке валентной зоны. Особенности в электронной структуре и, как следствие, реакционной способности впервые связываются с деформацией шестиугольников, образующих каркас углеродного кластера. Малая доля тс состояний на потолке валентной зоны углеродной нанотрубки объясняется деформацией всех шестиугольников. Практическая ценность работы. Построение модели синтеза необходимо для понимания процессов образования фуллеренов в плазме и планирования направленного синтеза данных молекул. Положения, выносимые на защиту. При систематическом изучении не обнаружено существенного различия в электронной и атомной структурах молекул фуллеренов. Предложена модел синтеза фуллеренов, объясняющая многие закономерности образования, показан важный вклад кластеров Сю в формирование этих молекул. В результате расчета электронной структуры углеродных нанокластеров установлено, что доля п состояний на потолке валентной зоны связана с деформацией шестиугольников в этих структурах. Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях XVI ii ii i i v i I i, ii, i 5 ii Ii i i, . Российская конференция молодых ученых по физическому материаловедению, Калуга, XXXIX Международная научная студенческая конференция Студент и научнотехнический прогресс Новосибирск, i 4 ii Ii i i, . Международная научная конференция Молодежь и Химия, Красноярск, , а также на семинарах Института химии и химической технологии СО РАН Красноярск, Института физики им. Л.В. Киренского СО РАН Красноярск, Института катализа СО РАН Новосибирск. Работа неоднократно выигрывала на конкурсе индивидуальных грантов для молодых ученых. Публикации. Долгие годы считалось, что самый изучаемый элемент элементарный углерод может образовывать только две кристаллические структуры алмаз и графит. В гг. Такая модификация получила название карбин. Карбин представляет собой линейную структуру сшитые или двойными связями, или чередующимися одинарными тройными связями цепочки из атомов углерода. Алмаз имеет пространственную структуру, в которой атомы углерода, образующие между собой сильные химические связи, ориентированы относительно друг друга не в плоскости, а в пространстве. Длина связи углеродуглерод в алмазе равна 0,2им. Структура графита слоистая. Каждый атом образует сильные химические связи с другими атомами, расположенными в одной плоскости, на расстоянии 0,0л, т. Склонность углерода к образованию различных поверхностей в еще большей степени проявилась в новом классе молекул фуллеренах и нанотрубках 12, . В г группой Крото была сгенерированна молекула Со лазерной возгонкой, которая представляет собой замкнутую поверхность 1, образованную многоугольниками. В настоящий момент известно существование ряда молекул фуллеренов См, , Сш, С,. Происхождение термина фуллерен связано с именем американского архитектора Букминстера Фуллера, который применял похожие пространственные структуры при конструировании куполообразных зданий, его архитектурные конструкции напоминают структуру молекулы О, 4.