Однослойные углеродные нанотрубки и некоторые композиты на их основе : строение и электронные свойства

• Автор: Прокофьева, Елена Васильевна
• Шифр специальности: 05.27.01
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2010
• Место защиты: Волгоград
• Количество страниц: 196 с. : ил.

1.1. Структура углеродных нанотрубок

1.2. Виды углеродных нанотрубок

1.3. Электронная структура углеродных нанотрубок

1.4. Получение углеродных нанотрубок

1.4.1. Электродуговой метод

1.4.2. Каталитическое разложение углеводородов

1.4.3. Лазерное распыление

1.4.4. Электролитический синтез

1.4.5. Конденсационный метод

1.4.6. Метод конструктивного разрушения

1.5. Свойства углеродных наногрубок

1.5.1. Проводящие свойства
1.5.2. Удельное электрическое сопротивление углеродных наиотрубок
1.5.3. Эмиссионные свойства нанотрубок углерода
1.5.4. Капиллярные эффекты в нанотрубках
1.5.5. Сорбционные свойства углеродных нанотрубок
1.6. Заполненные углеродные тубулены
1.7. Применение углеродных нанотрубок
ГЛАВА И. МЕТОДЫ РАСЧЕТА ЭЛЕКТРОННОГО СТРОЕНИЯ ТВЕРДЫХ ТЕЛ
2.1. Зонная теория твердых тел
2.2. Кластерные модели твердых тел
2.2.1. Модель молекулярного кластера 5
2.2.2. Модель квазимолекулярной расширенной элементарной
ячейки
2.2.3. Модель циклического кластера
2.2.4. Модель ионновстроенного ковалентноциклического кластера
2.3. Квантовохимическая модель
2.4. Расчетные методы квантовой химии
2.4.1. Общая характеристика
2.4.2. Первопринципные методы расчета
2.4.3. Теория функционала плотности ОРТ
2.4.3.1. Применение ТФП
2.4.4. Полуэмпирические методы расчета
2.4.4.1. Основные требования к полуэмпиричсским методам
2.4.4.2. Основы полуэмпирических методов
2.4.4.3. Методы МИЛО и МЫЛОРМЗ
2.5. Выводы
ГЛАВА III. КОМПЛЕКСНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ НЕКОТОРЫХ ГАЗОФАЗНЫХ КОМПОЗИТОВ НА ОСНОВЕ УГЛЕРОДНЫХ НАНОТРУБОК
3.1. Исследование внутреннего насыщения углеродных наногруб
молекулярным водородом
3.1.1. Исследование внутреннего насыщения нанотрубки 6,6 молекулярным водородом методом поверхностного смачивания
3.1.2. Исследование внутреннего насыщения углеродных нанотруб 6,6 молекулярным водородом капиллярным методом
3.2. Исследование внутреннего насыщения водородом углеродных нанотруб с вакансией
3.2.1. Механизм образования вакансии на поверхности углеродной нанотрубки
3.2.2. Исследование процесса внедрения атомарного водорода в нанотрубку с вакансией
3.3. Исследования механизмов краевого модифицирования углеродных нанотруб функциональными группами
3.3.1. Исследования электронноэнергетического строения углеродных нанотруб с краевыми группами
3.3.2. Механизмы функционализации углеродных нанотруб
3.4. Исследование влияния краевой функционализации на процессы капиллярного заполнения углеродных нанотрубок водородом
3.4.1. Внедрение атомарного водорода в полость
углеродных нанотруб
3.4.1.1. Внедрение атома водорода Н в ахиральные трубки 6,0
3.4.1.2. Внедрение атома водорода Н в ахиральные трубки 8,0
3.4.1.3. Внедрение атома водорода Ы в ахиральные трубки 6,6
3.4.1.4. Сравнительный анализ влияния краевых функциональных групп на процессы заполнения углеродных нанотрубок
атомарным водородом
3.4.2. Внедрение молекулярного водорода в УНТ
3.5. Внедрение атомарного кислорода и фтора в полость углеродных наиотруб капиллярным способом
3.5.1. Исследование влияния граничной модификации на процесс внедрения атома кислорода
3.5.2. Внедрение атомарного кислорода в открытые нанотрубки
3.5.3. Внедрение атомарного фтора в полость
углеродных нанотруб
3.5.4. Газофазные интеркалированные атомарным фтором композиты на основе углеродных нанотруб
3.6. Выводы
ГЛАВА IV. КОМПЛЕКСНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ НЕКОТОРЫХ МЕТАЛЛОФАЗНЫХ КОМПОЗИТОВ НА ОСНОВЕ УГЛЕРОДНЫХ НАНОТРУБОК
4.1. Исследования адсорбционного взаимодействия фрагментов оксидов железа II,III с однослойными углеродными нанотрубками
4.1.1. Теоретический анализ взаимодействия наночастиц оксидов железа с углеродными нанотрубками
4.1.1.1. Адсорбционное взаимодействие однослойных углеродных нанотрубок ОУНТ п,п с фрагментами оксидов Ре ИДИ
4.1.1.2. Адсорбционное взаимодействие ОУНТ п,0 с фрагментами оксидов Бе ИДИ
4.1.1.3. Исследование адсорбционного взаимодействия ОУНТ с фрагментами оксидов Ре ,1 методом ОРТ
4.2. Экспериментальное исследование массива ориентированных нанотрубок с помощью атомносиловой микроскопии
4.3. Электронноэнергетические характеристики интеркалнрованных металлофазных н а ноту бул ирных композитных структур
4.3.1. Механизм интеркапирования углеродных нанотрубок атомами легких и переходных металлов
4.3.1.1. Внедрение атомов алюминия А в ОУНТ
4.3.1.2. Внедрение атомов никеля 1 в ОУНТ
4.3.1.3. Общий анализ полученных результатов
4.4. Экспериментальное подтверждение возможности создания
металлофазных интеркалированных композитов на основе углеродных
нанотрубок
4.5 Выводы
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Основные выводы н результаты
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ


Теоретические результаты подтверждены серией экспериментальных исследований углеродных нанотруб, полученных методом каталитического пиролиза, обнаруживших в полости тубуленов внедренные А1 и 1, входящие в состав катализатора. Достоверность основных положений и выводов диссертации обеспечивается использованием корректных полуэмпирических квантовохимических схем МЬГОО и МЖЮРМЗ, параметры которых получены из эксперимента, а также более строгим методом функционала плотности ОПТ, хорошим согласием отдельных результатов теоретических исследований с имеющимися экспериментальными данными. Научнопрактическое значение работы. Результаты, полученные в диссертационной работе, могут быть использованы для интерпретации имеющихся экспериментальных данных по углеродным нанотрубкам и композитам на их основе, а также для стимуляции экспериментальных исследований по сделанным теоретическим прогнозам. Полученные результаты, научная и практическая значимость диссертации, новизна положений, развитых в работе, позволяют утверждать, что проведенные исследования важны для развития нового направления в наноэлектронике, связанного с созданием и использованием композитных наноматериалов, обладающих заданными проводящими, электрическими, магнитными и оптическими свойствами и контролируемыми размерами, при изготовлении различных наноустройств. На защиту выносятся следующие основные положения. Возможно создание структурномодифицированных композитов на основе ОУНТ путем насыщения границы тубулена функциональными группами. Данная модификация обеспечивает новые применения полученных композитов, в том числе в качестве наносенсоров, активных квантовых проводов и хранилищ атомов и молекул. Положительное влияние на процесс внедрения атомарного водорода в полость трубок оказывают краевые функционализирующие гидроксильные группы и атомы кислорода в случаях неполного насыщения открытой границы тубулена. Аминогруппы активизируют процесс капиллярного заполнения нанотруб атомарным кислородом. С увеличением краевого насыщения тубулена атомами кислорода процесс капиллярного всасывания молекулы водорода Н2 активизируется. Интеркалирование молекулы Н2 не изменяет тип проводимости модифицированных нанотруб. Наличие вакансии поверхности ОУНТ не способствует более активному проникновению атома водорода в полость тубулена. Атомарный фтор капиллярно внедряется в полость открытых углеродных нанотруб п,п и п,0, однако для внедрения Р в трубку 6,0 требуется дополнительное внешнее воздействие. Наличие атомов фтора в полости углеродного тубулена увеличивает запрещенную щель подобного интеркалированного композита, что позволяет прогнозирование изменять проводящие свойства наносистемы. Адсорбционное взаимодействие УНТ п,п и п,0 с фрагментами оксида железа двух и трехвалентного РеО, Ре2Оз и комплексом этих оксидов РезС4 через активный центр атом кислорода, обеспечивающее создание упорядоченной структуры нанотруб в магнитной жидкости при наложении постоянного магнитного поля определенной направленности, возможно. Чем больше диаметр нанотрубок, тем активнее идет процесс адсорбции на их поверхности. Увеличение количества внедряющихся атомов А1 и 1 в нанотрубки приводит к металлизации свойств получаемого интеркалированного нанотубулярного композита. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы из 8 наименований, содержит 7 страниц основного текста, рисунков и таблицу. Во введении обоснована актуальность работы, сформулированы цель и задачи исследования, кратко изложено содержание диссертации. Первая глава содержит обзор публикаций, посвященных исследованию структуры нанотрубок. Изложены основные методы их генерации и обнаружения. Приведены теоретические предсказания электронной структуры и экспериментальные результаты, подтверждающие предположения рассмотрены основные физикохимические свойства тубуленов проводящие, эмиссионные, сорбционные. Описаны возможности заполнения нанотрубок атомами и молекулами и обсуждаются проблемы создания композитных структур на основе тубулярных материалов.