Квантовая химия углеродных нанотрубок с переходными металлами

• Автор: Кепп, Олег Михайлович
• Шифр специальности: 02.00.04
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 1999
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 140 с.

ОГЛАВЛЕНИЕ
ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
ГЛАВА 1. Сведения об углеродных нанотрубках
El. Способы получения
1.2. Данные о свойствах нанотрубок
1.3. Аспекты применения нанотрубок
1.4. Данные квантовохимических исследований
углеродных нанотрубок
1.5. Метод линеаризованных присоединенных плоских полн
ГЛАВА 2. Электронное строение некоторых полимеров
и легированных металлами углеродных нанотрубок по данным метода линеаризованных присоединенных плоских волн для квазиодномерных систем
2.1. Метод линеаризованных присоединенных плоских волн для квазиодномерных систем
2.1.1. Потенциал в простейшем,
так называемом muffin-tin приближении
2.1.2. Базисные волновые функции
2.1.3. Секулярное уравнение
2.2. Электронное строение простых полимеров
2.2.1. Поли(ирра-фенилен)
2.2.2. Поли(г/гщ-бутадиен)
2.2.3. Полиэтилен
2.2.4. Обсуждение результатов
2.3. Легированные фуллереновые нанотрубки
2.3.2. Плотности электронных состояний в трубках
Влияние щелочного и щелочноземельного металла
Влияние переходного металла
2.3.3. Зонная структура и ограничения метода
Г ЛАВА 3. Метод линейных присоединенных цилиндрических волн для
электронной структуры нанопроводов
3.1. Вид волновых функций

3.2. Условия сшивки для базисных функций на границе МТ-области
3.2.1. Условие неразрывности базисных волновых функций
на границе muffin-tin области
3.2.2. Условие непрерывности первых радиальных производных базисных волновых функций
3.2.3. Свойства интегралов /; и
3.2. Интеграл перекрывания
для присоединенных цилиндрических волн
3.3. Матричные элементы гамильтониана
3.4. Парциальные заряды
ГЛАВА 4. Применения метода линейных присоединенных
цилиндрических волн
4.1. Электронная структура простейших неорганических полимеров
на примере карбина
4.2. Цепочки из атомов металлов - металлические подсистемы легированных углеродных нанотрубок
4.2.1. Цепочки атомов металлов без альтернирования длин связей
4.2.2. Цепочки атомов металлов с альтернированием длин связей
4.2.3. Влияние радиуса цилиндрической области на характер электронной структуры металлических цепочек
4.2. Электронная структура углеродных нанотрубок, легированных переходными металлами
ВЫВОДЫ
ЛИТЕРАТУРА

ВВЕДЕНИЕ
В начале 90-х годов открыт новый класс поверхностных форм углерода — углеродные нанотрубки. Эти объекты можно представить себе в виде полых протяженных цилиндров, поверхность которых образована сопряженными бензольными кольцами, подобно тому, как это имеет место в слое графита. На практике наблюдаются такие структуры диаметром от 3 до 200 А, а в длину они могут достигать нескольких микрометров.
Эти материалы имеют целый ряд отличительных свойств. Нанотрубки могут обладать хорошей проводимостью или являться узкозонными полупроводниками в зависимости от толщины и хиральности, то есть ориентации образующих поверхность бензольных колец относительно оси трубки. Благодаря высокой упорядоченности структуры, индивидуальные нанотрубки обладают высокой механической прочностью, что в сочетании с высокой электропроводностью может быть использовано для изготовления зонда сканирующего электронного микроскопа, что даст возможность на несколько порядков увеличить его разрешающую способность. Установлено, что нанотрубки обладают высокими эмиссионными характеристиками. Для их применения в химической технологии, в частности, для катализа, важны высокая удельная поверхность и химическая инертность.
Пожалуй, самое необычное свойство нанотрубок — капиллярный эффект, связанный с наличием полого канала, располагающегося вдоль оси трубки по всей ее длине и сохраняющийся при уменьшении диаметра нанотрубки. Существуют экспериментальные данные по внедрению внутрь нанотрубок газообразного водорода, ряда щелочных, переходных, благородных металлов, редкоземельных элементов и свинца из их расплавов, а также интеркалированию сложными веществами, такими как карбиды и оксиды переходных металлов. В этом отношении углеродные нанотрубки интересны как контейнеры молекулярного уровня и могут найти применение в химии и медицине. Путем легирования нанотрубок можно

двумя атомами углерода соседних бензольных колец взято равным 1.46 Â, что соответствует аналогичному расстоянию в бифениле. В выбранной структуре поли(гщобутадиепа) все атомы углерода расположены в одной плоскости. В этой же плоскости расположены атомы водорода, связанные с атомами С, образующими связь С=С. Углы Н-С=С равны 125°, а длины связей С=С 1.34 Â. Пары атомов Н, связанных с четырехкратно координированным углеродом, располагались над и под этой плоскостью. Углы при этих атомах С тетраэдрические. Длина связи С-С 1.48 Â, а все длины связей С-Н 1.08 Â. Выбранная структура полиэтилена представляет собой зигзагообразную цепочку атомов углерода, атомы водорода расположены по обе стороны ее плоскости. Все углы — тетраэдрические. Длины связей С-С и С-Н равны соответственно 1.54 и 1.09 Â.
2.2.1. ПОЛИ(/7у4ЯА-ФЕНИЛЕН)
На рис. 2.3 представлены рассчитанные законы дисперсии электронов, а также полная (NT) и парциальные ЫН)-, 2s(C)~ и 2р(С)~ плотности состояний поли(яара-фенилена), уширенные по нормальному закону распределения с полушириной 0.25 эВ. Там же для сравнения приведен фотоэлектронный спектр (ФЭС) линейного тетрамера, составленного из четырех бензольных колец [18]. Горизонтальная пунктирная линия и обозначение Ер отражают ’ положение дна зоны проводимости. Как показывают результаты расчетов, полная ширина валентной зоны равна 18 эВ, что полностью совпадает с экспериментальной величиной. Сопоставление ФЭС и плотности состояний валентной зоны свидетельствует о том, что три полосы в ФЭС в области от 0 до -7 эВ с пиками, отвечающими энергиям связи электронов 6, 4 и 1 эВ,
соответствуют преимущественно 2рл(С)-состояниям. Положения этих полос в спектре практически совпадают с пиками 2р(С)~ или полной плотности состояний. При удалении от потолка валентной зоны появляются