Проводящие и фононные свойства углеродных нанотрубок

• Автор: Иванченко, Геннадий Сергеевич
• Шифр специальности: 01.04.04
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2008
• Место защиты: Волгоград
• Количество страниц: 148 с. : ил.

СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
Г ЛАВА 1. Структура и свойства углеродных нанотрубок
1.1. Структурная классификация нанотрубок
1.1.1. Классификация однослойных нанотрубок
1.1.2. Классификация двухслойных нанотрубок
1.2. Электронное строение углеродных нанотрубок
1.2.1. Электронное строение однослойных углеродных нанотрубок
1.2.2. Электронное строение многослойных нанотрубок
1.3. Физические свойства нанотрубок
1.3.1. Проводящие свойства углеродных нанотрубок
1.3.2. Фононные свойства нанотрубок
1.4. Применение углеродных нанотрубок
ГЛАВА 2. Исследование удельной проводимости углеродных нанотрубок
2.1. Проводимость однослойных углеродных нанотрубок
2.1.1. Выбор модели
2.1.2. Расчет тензора удельной проводимости однослойной углеродной нанотрубки
2.2. Протонная проводимость однослойных углеродных нанотрубок
2.2.1. Расчет тензора протонной проводимости (п, 0) и (п, п) нанотрубок
2.2.2. Оценка интеграла перескока протона
2.2.3. Обсуждение результатов
2.3. Проводимость многослойных углеродных нанохрубок
2.3.1. Расчет тензора удельной проводимости двухслойных нанотрубок
2.3.2. Зависимость проводимости от разности длин слоев нанотрубок
2.3.3. Зависимость проводимости от взаимного расположения слоев на-иотрубок
2.3.4. Электромеханический нанотермометр на основе двухслойных угле-

родных нанотрубок
2.3.5. Электронная теплопроводность двухслойных нанотрубок
2.4. Заключение
ГЛАВА 3. Фононный спектр углеродных нанотрубок
3.1. Фононный спектр однослойных углеродных нанотрубок
3.1.1. Модель и основные уравнения
3.1.2. Расчет,константы межатомной связи
3.1.3. Обсуждение результатов
3.2. Фононный спектр двухслойных углеродных нанотрубок
3.2.1. Выбор модели и основные уравнения
3.2.2. Особенности фононного спектра
3.2.3. Зависимость спектра от взаимного расположения слоев
3.2.4. Плотность фононных состояний
3.2.5. Фононная теплоемкость двуслойных углеродных нанотрубок
3.3. Заключение
ГЛАВА 4. Исследование влияния электрон-фононного взаимодействия на проводимость углеродных нанотрубок
4.1. Оценка константы электрон-фононного взаимодействия
4.2. Модель нанотрубки с учетом электрон-фононного взаимодействия
4.3. Уравнения эволюции функций Грина
4.4. Обсуждение результатов
4.5. Заключение
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
ЛИТЕРАТУРА

ВВЕДЕНИЕ
На рубеже XX - XXI вв. большое внимание специалистов, занимающихся созданием и исследованием новых материалов, вызвали наноструктурные материалы (НСМ) [1 - 4]. Они обладают уникальной структурой и свойствами, многие из которых имеют непосредственный практический интерес во многих отраслях науки и техники. В НСМ изменяются фундаментальные физические, обычно структурно нечувствительные характеристики, такие как упругие модули, температуры Кюри и Дебая, намагниченность насыщения и др. Такие свойства открывают перспективы улучшения существующих и создания принципиально новых конструкционных и функциональных материалов с заданными свойствами.
Согласно терминологии, принятой международным журналом «Nano-Structured Materials», к наноструктурным материалам относятся кристаллические вещества со средним размером зерен или других структурных ячеек менее 100 нм [1 - 4]. По геометрическим признакам НСМ разделяются на полимерные атомные кластеры и частицы, одномерные трубчатые структуры, двумерные мультислои, покрытия и ламинарные структуры и трехмерные объемные н ано кри сталли ч е с к ие и нанофазные материалы. Особое место среди упомянутых типов наноструктурных материалов занимают открытые в конце XX в. новые формы существования углерода - нанотрубки.
В начале XXI в. мировое научное сообщество включилось в новую эпоху развития научной мысли - эпоху нанотехнологий [5 - 10]. Нанотехнология стала одной из наиболее важных и интересных областей науки, соединяя в себе физику, химию, медицину, биологию и технические науки.
Нанотехнология представляет собой науку об изготовлении, свойствах и использовании материалов, устройств и элементов техники на атомном и молекулярном уровне [5 - 10]. В настоящее время проблема создания наноструктур с заданными свойствами и контролируемыми размерами входит в число важнейших научных проблем XXI века [5 - 10].

мости УНТ. В результате изгиба проводимость УНТ оказалась равной 1 мкСм. Температурная зависимость проводимости изогнутой НТ, измеренная двухконтактным и четырехконтактным методами показана на рисунок 1.3.3. При температурах свыше 100 К эти зависимости хорошо описываются степенной функцией И ~ Та, где а — 1.4 для четырехконтактного и 0.26 для двухконтактного методов измерения. Результаты четырехконтактных измерений отвечают проводимости изогнутого участка. Величина показателя степени свидетельствует о туннельном способе переноса заряда [20].
Попытка измерения сопротивления индивидуальной НТ и контактных сопротивлений на границе с токоотводами предпринята в работах [42, 43]. В качестве локального вольтметра использовался наконечник атомного силового микроскопа. Наконечник сканировал поверхность нанотрубки, при этом измерялась сила, возникающая между наконечником и образцом. Определенное таким методом удельное сопротивление многослойной НТ диаметром 9 нм оказалось равным 10 кОм'мкм“1. Сопротивления левого и правого контактов получились равными 6 ± 2 и 3 ± 2 кОм соответственно.
Аналогичные измерения, выполненные для ОНТ с металлической проводимостью, дают оценку ее сопротивления 3 кОм, что значительно меньше сопротивлений контактов — 28 и 12 кОм. Полученное значение проводимости ОНТ указывает на баллистический механизм переноса заряда, согласно которому электроны даже при комнатной температуре преодолевают длину НТ более 1 мкм без рассеяния [20].
Значительно более высокое сопротивление (~ 60 МОм) имеет полупроводниковая ОНТ. Анализ результатов измерений показал, что сопротивление полупроводниковых ОНТ определяется наличием барьеров, расположенных примерно каждые 100 нм вдоль длины нанотрубки. Природа барьеров до конца не выяснена [20].
Для описания механизма проводимости МНТ необходимо использовать более сложные модели, чем для баллистической проводимости ОНТ. Наблюдаемое в ряде экспериментов [44] явление квантования проводимости МНТ