Введение к работе
Актуальность проблемы. Графеноподобные структуры являются предметом пристального внимания исследователей на протяжении последних 20-25 лет. В них поведение носителей заряда аналогично релятивистским частицам с массой покоя равной нулю и описывается уравнениями Дирака с эффективной «скоростью света» ~ 106 м/с, которую на два порядка превосходит истинная скорость света. Подобное поведение носителей заряда экспериментально установлено в работе [1] для одного слоя графита (графена). Открытие последнего вновь сосредоточило внимание исследователей на монокристаллах графита толщиной несколько десятков нанометров. Именно на данных кристаллах был выявлен существенный вклад в поглощение инфракрасного диапазона при изучении переходов между уровнями Ландау с характерными энергиями [2]. Стоит отметить, что с помощью межслоевой туннельной спектроскопии [3] в случае сильного магнитного поля также удалось подтвердить присутствие таких носителей заряда в графите.
К материалам, в которых обнаружены данные частицы, кроме графена относятся и другие низкоразмерные структуры: углеродные нанотрубки [4], а также недавно открытые графеноподобные материалы (графеновые ленты, силицен, германен [5]) и топологические изоляторы.
Движение носителей заряда в таких структурах является ограниченным по одной координате. Это в свою очередь приводит к размерному квантованию, которое коренным образом изменяет энергетический спектр носителей заряда, квазичастиц, фононов, и способствует появлению новых физических явлений, а также уникальных свойств данных материалов. В качестве наиболее важного достоинства исследуемых структур можно выделить возможность управления свойствами системы за счет изменения геометрических размеров, их атомно-молекулярной конфигурации, в том числе и при адсорбции примесей на поверхности. Таким образом, мы можем модифицировать энергетический спектр носителей заряда, тем самым изменяя физико-химические свойства системы. При этом существенное влияние на электронные свойства изучаемых структур оказывает и учет экстремальных условий - взаимодействие с полем лазерного излучения, учет сильного электрического ПОЛЯ.
Целью работы является развитие подходов к исследованию свойств графеноподобных наноструктур (углеродных нанотрубок, графена и
родственных ему материалов: силицена, германена, топологических
изоляторов), в сильных электрических полях и при адсорбции, изучение особенностей их поведения в полях лазерного излучения, а также сенсорных характеристик углеродных структур на основе туннельного эффекта.
Достижение поставленной цели предусматривает решение следующих задач:
-
Создание теоретических моделей для изучения проводящих свойств углеродных материалов, в том числе и при адсорбции.
-
Моделирование атомно-молекулярной структуры и электронного строения графеновых систем в рамках модели эффективных гамильтонианов.
-
Разработка методики расчета плотности состояний графеноподобных материалов с дефектами и адсорбирующимися на поверхности примесями.
-
Построение моделей взаимодействия графеноподобных материалов с лазерным излучением, в том числе в экстремальных условиях - внешних электрических ПОЛЯХ.
Научная новизна. В области пространственного и электронного строения, в условиях статического и динамического сжатия, а также спектроскопии и химии одиночных молекул и кластеров:
-
Предложена методика расчета электронного спектра графеновой наноленты в условиях динамического сжатия/растяжения на основе обобщения уравнения Дирака.
-
Предложен новый подход к вычислению туннельных характеристик контактов графеновых нанолент и флейков с дефектами и при адсорбции газов с металлом/квантовыми точками, в том числе в экстремальных условиях при приложении внешних электрических полей.
В области поведения веществ в экстремальных условиях - в электрических полях, в полях лазерного излучения:
-
Построена теория взаимодействия графеноподобных материалов (графен, силицен, германен) с полем лазерного излучения.
-
Впервые показана возможность усиления предельно коротких импульсов в графене благодаря взаимодействию с внешним осциллирующим полем.
-
Развит новый подход к определению величины и временных характеристик параметра порядка с помощью коротковолнового лазерного
излучения в среде с углеродными нанотрубками.
В области энергетической, химической и спиновой динамики элементарных процессов:
6. Впервые предложен подход к исследованию эффекта «дрожащего движения» в искривленной графеновой наноленте, когда волновой пакет, тесно связанный с движением/переносом спина, позволяет управлять спиновой динамикой.
Методы исследований и достоверность результатов. Достоверность выводов и научных положений диссертации подтверждается тщательным обоснованием предлагаемых методик и разработанных моделей, применением строгого математического инструментария, сопоставлением полученных результатов с данными отечественных и зарубежных исследований.
Научная и практическая ценность работы. В диссертационной работе изучаются перспективные физико-химические объекты (углеродные нанотрубки, графен и ленты на его основе, силицен, германен, топологические изоляторы), представляющие интерес как с фундаментальной, так и практической точек зрения, что доказывают недавно разработанные в научном мире устройства. В ходе проделанной работы установлены законы, по которым протекают физико-химические процессы в изучаемых структурах, установлены закономерности взаимодействия данных структур с полем лазерного излучения, особенности спиновой динамики в случае «дрожащего движения» в топологических изоляторах и искривленном графене, туннельного эффекта в контакте графеновых нанолент с квантовыми точками и металлом, чувствительности кристаллической решетки графеновой наноленты и графеновых флейков к дефектам и адсорбирующимся на их поверхности примесям. Полученные результаты могут быть использованы для развития технологических основ создания сенсоров на основе графеновых нанолент, для разработки устройств генерации терагерцового излучения, управления света светом, усилителей предельно коротких импульсов, лазерной микромеханической обработки материалов и др.
На защиту выносятся следующие положения:
-
В условиях динамического сжатия графеновой наноленты в контакте с металлом вольтамперная характеристика имеет асимметричный характер, обусловленный особенностями атомно-молекулярного строения рассматриваемых систем.
-
Построена теория релаксационной динамики параметра порядка в
углеродных нанотрубках.
-
Основанный на определении туннельного тока подход позволяет выявить адсорбцию даже одной молекулы на поверхности графенового флейка, а также идентифицировать наличие дефекта как типа Стоуна-Уэльса, так и типа вакансии.
-
Введение внешнего постоянного электрического поля оказывает существенное влияние на форму вольтамперной характеристики для контакта прямоугольной графеновой наноленты с металлом, что способствует обнаружению адсорбировавшихся на ленте молекул.
-
Построена теория взаимодействия коротковолнового лазерного импульса с германеном и силиценом, которые отличаются сильным спин-орбитальным взаимодействием.
-
Допирование многоуровневой примесью позволяет снизить уширение при прохождении лазерного импульса через массив углеродных нанотрубок.
-
Хиральность углеродных нанотрубок оказывает существенное влияние на процесс распространения предельно коротких импульсов в УНТ, в том числе в экстремальных электрических полях.
-
Геометрия искривленной графеновой ленты, в которой распространяется волновой пакет, явно влияет на эффект «дрожащего движения» и, следовательно, на спиновую динамику системы.
-
В топологическом изоляторе, а также в системе бислоя графена-нитрида бора с помощью предельно короткого импульса ненулевой площади возможно управление спиновой динамикой, за счет изменения величины амплитуды импульса в начальный момент времени.
Апробация результатов. Результаты, диссертационного исследования, докладывались на следующих всероссийских и международных конференциях: Международная конференция «Central European Conference on Photochemistry» (Bad Hofgastein, Austria, 7-11 February 2010); Международная конференция «Nanomeeting-2011» (Minsk, Belarus, 24-27 May 2011); Международный Симпозиум «Современная химическая физика» (2009, 2010, 2011, 2013, 2016, 2017, г. Туапсе), XIII Всероссийская школа-семинар «Физика и применение микроволн» (г. Звенигород, 23-28 мая 2011 г.), Всероссийская школа-семинар «Волновые явления в неоднородных средах» (2012, 2014, 2016 г. Звенигород, д. Красновидово), Международная конференция «Graphene-2011» (Bilbao, Spain, 11-14 april 2011), Международная конференция «Advanced Carbon
Nanostractures» (2011, 2013, 2017, г. Санкт-Петербург), XI Симпозиум по
фотонному эхо и когерентной спектроскопии ( г. Светлогорск, 16-21 сентября 2017), а также на конференциях и научных семинарах ФГАОУ ВО «Волгоградский государственный университет».
Диссертационные исследования выполнены в рамках грантов Российского фонда фундаментальных исследований, где автор выступил исполнителем: проекты № 11-02-97054 (2011-2012), 12-02-31654 мол_а (2012-2013), 16-07-01265 А (2016-2018), а также в рамках государственного задания Министерства образования и науки РФ № 2.852.2017/4.6 (2017-2019). Под руководством автора выполнены проекты: РФФИ № 16-32-00230 мол_а (2016-2017), грант Президента РФ № МК-4562.2016.2 (2016-2017).
Личный вклад автора. Все результаты диссертационного исследования получены при непосредственном участии автора. Разработка модели взаимодействия бризеров с массивом примесных углеродных нанотрубок выполнена совместно с к.ф.-м.н. Э.Г. Федоровым (Израиль). Моделирование распространения лазерных импульсов в графене при учете кулоновского отталкивания и периодических примесей проведено совместно с д.ф.-м.н. Н.Г. Лебедевым (ВолГУ, Волгоград). Разработка моделей, описывающих взаимодействие графеноподобных материалов с лазерным излучением, разработка подхода к вычислению плотности состояний графеновых нанолент с дефектами и при адсорбции примесей, построение теории управления спиновой динамикой в искривленной графеновой ленте и топологическом изоляторе при помощи лазерного излучения, проведение численных экспериментов и обработка результатов численных расчетов выполнены автором лично. Интерпретация результатов расчетов по спиновой динамике проведена совместно с профессором, д.ф.-м.н. М.Б. Белоненко.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы из 362 наименований цитируемых работ отечественных и зарубежных авторов и 1 приложения. Общий объем составляет 307 страниц, включая 123 рисунка и 2 таблицы.
Публикации. Основные материалы диссертации опубликованы в 94 научных работах, среди них 64 статьи в международных базах Scopus/Web of Science, в том числе 38 в рецензируемых научных изданиях, входящих в международные реферативные базы данных и системы цитирования из Перечня ВАК РФ; 1 статья из списка рецензируемых научных изданий, в которых должны быть опубликованы основные научные результаты диссертаций на
соискание ученой степени кандидата наук, на соискание ученой степени
доктора наук списка ВАК РФ, 2 статьи в международных научных журналах, 2 статьи в сборниках докладов, 23 тезиса докладов на конференциях, обзорная глава в сборнике “The Graphene Handbook”, 1 статья РИНЦ, 4 свидетельства на программу для ЭВМ.