Введение к работе
Актуальность работы.
Благодаря наличию дефектов кристаллического строения (вакансий, межузельных атомов, дислокаций или поверхностных дефектов) свойства реальных кристаллов коренным образом могут отличаться от свойств идеальных бездефектных структур. Особенностью вышеперечисленных типов дефектов кристаллической структуры является наличие оборванных межатомных связей и нарушение порядка в относительном расположении атомов уже в первой координационной сфере.
В последнее время все более пристальное внимание привлекает другой класс дефектов кристаллической структуры, отличительной чертой которого является наличие нарушений только дальнего порядка расположения атомов, и отсутствие оборванных межатомных связей. К таким дефектам относятся дефекты упаковки слоев и топологические дефекты в слоевых структурах. Топологические дефекты слоев могут существенным образом менять свойства исходных структур и являются причиной формирования структур, коренным образом отличающихся от исходных бездефектных структур. К примеру, формирование каркасных углеродных наноструктур (фуллеренов, нанотрубок и др.) из фрагментов графеновых слоев является следствием добавления в эти слои топологических дефектов, т.е. перестройки слоя, так что кроме гексагонов в его структуре появляются четырех-, пяти, семи или восьмиугольники. Такие дефекты могут появиться на стадии роста или очистки наноматериала, в результате ионной бомбардировки и т.д.
Исследование топологических дефектов графеновых слоев представляет интерес, так как они оказывают сильное влияние на электронные, механические и упругие свойства углеродных наноструктур. Экспериментальная идентификация топологических дефектов в углеродных наноматериалах затруднена, в настоящий момент ведется активный поиск методик их обнаружения.
Особый интерес представляют исследования закономерностей формирования топологических дефектов в углеродных нанотрубках. Проводимость углеродных нанотрубок (УНТ) в зависимости от их диаметра и хиральности может изменяться от полупроводниковой до металлической. Соединения нанотрубок с различным типом проводимости могут найти широкое применение в наноэлектронных устройствах. Образование различных соединений между однослойными углеродными нанотрубками различного диаметра и хиральности возможно при помощи
топологических дефектов. Структуры парных соединений однослойных углеродных нанотрубок на основе комбинированного топологического дефекта пяти-семиугольник (дефект 5-7), названных локтевыми сгибами, были исследованы в ряде работ. Однако, как показывает теоретический анализ, возможны соединения и при помощи других двойных комбинированных топологических дефектов.
К настоящему времени механизмы образования топологических дефектов в графеновых слоях и углеродных наноструктурах остаются недостаточно изученными, их изучение представляет интерес, как с фундаментальной, так и практической точки зрения - для разработки технологий синтеза новых углеродных наноструктур на основе графеновых слоев и соединений нанотрубок при помощи топологических дефектов.
... . Цель и задачи работы.
Цель работы заключается в изучении закономерностей формирования топологических дефектов в графеновых слоях и углеродных нанотрубках. В соответствии с поставленной целью решались следующие частные задачи:
1. Моделирование структуры графеновых слоев, содержащих простые и
комбинированные топологические дефекты, исследование механизмов формирования
топологических дефектов в графеновых слоях.
Модельное исследование структуры соединений однослойных углеродных нанотрубок различной хиральности и диаметра при помощи комбинированных топологических дефектов 5-7.
Исследование структуры соединений однослойных углеродных нанотрубок различной хиральности и диаметра на основе комбинированных топологических дефектов 4-8.
Методы исследования.
В качестве методов исследования в работе были использованы методы молекулярной механики (ММ2. ММ+), первопринципные (STO 3-21G) и полуэмпирические (РМЗ, AMI. MNDO) методы расчета структуры и энергетических характеристик.
Научная новизна.
1. Рассчитана структура и энергетические характеристики графеновых слоев,
содержащих простые и комбинированные топологические дефекты. Предложена
схема классификации топологических дефектов, разработана модель формирования топологических дефектов в графеновых слоях.
Найдены взаимосвязи мезвду структурными параметрами соединений углеродных нанотрубок на основе дефекта 5-7. Установлено, что углы сгибов соединений определяются относительным расположением дефектов 5 и 7 в месте контакта соединяющихся нанотрубок. Впервые установлено, что между парой различных chiral-chiral УНТ возможно соединение двумя различными способами.
Впервые исследованы закономерности формирования соединений углеродных нанотрубок различных диаметров и хиральностей, полученных при помощи дефекта 4-8, найдены взаимосвязи между структурными параметрами этих соединений. Доказано, что формирование соединений металлических и полупроводниковых нанотрубок на основе комбинированного топологического дефекта 4-8 невозможно.
Установлено, что наиболее энергетически выгодным простым топологическим дефектом графенового слоя является семиугольник. Впервые обнаружено, что удельная энергия углерод-углеродных связей в соединениях углеродных нанотрубок, полученных при помощи дефекта 5-7, не зависит от угла сгиба.
Практическая значимость.
Полученные результаты могут быть использованы для разработки технологий синтеза новых наноструктурированных углеродных материалов, которые могут найти широкое применение в наноэлектронике, а также для разработки способов получения высокопрочных конструкционных углеродных материалов на основе углеродных нанотрубок.
Положения, выносимые на защиту.
Классификационная схема топологических дефектов, результаты исследования структуры и энергетических характеристик графеновых слоев, содержащих топологические дефекты, а также модель формирования топологических дефектов в графеновых слоях.
Результаты модельного исследования структуры соединений однослойных углеродных нанотрубок на основе комбинированных топологических дефектов 5-7, установленные взаимосвязи между их структурными параметрами.
3. Результаты исследования закономерностей формирования структуры соединений углеродных нанотрубок различной хиральности и диаметра, полученные при помощи дефекта 4-8, установленные взаимосвязи между структурными параметрами и относительным расположением топологических дефектов. Апробация результатов работы.
Основные результаты исследований по теме диссертации были представлены на: Международной конференции «Углерод: фундаментальные проблемы науки, материаловедение, технология», (2006 г., Москва); Региональной школе-конференции для студентов, аспирантов и молодых ученых по математике и физике (2006, 2007, 2008 гг., Уфа); Международной зимней школе физиков теоретиков (2006, 2008 гг., ЕкатеринбурГ'Челябинск); Международной конференции «Фазовые переходы, критические и нелинейные явления в конденсированных средах» (2007 г., Махачкала); IV Международной научной конференции «Кинетика и механизм кристаллизации. Нанокристаллизация. Биокристаллизация» (2006 г. Иваново); Всероссийской научной конференции студентов-физиков и молодых ученых (2007 г., Ростов-на-Дону - Таганрог); Международной научной конференции «Химия твёрдого тела и современные микро- и нанотехнологии» (2006, 2007 гг., Кисловодск); XI конференции студентов, аспирантов и молодых . ученых по физике полупроводниковых, диэлектрических и магнитных материалов (2007 г., Владивосток).
Публикации.
По теме диссертации опубликовано 16 работ, из них 3 статьи в журналах, рекомендованных ВАК для опубликования результатов диссертационных работ, 2 статьи в сборниках трудов научных конференций, а также 11 тезисов докладов научных конференций
Структура и объем диссертации.
Диссертация состоит из общей характеристики работы, шести глав и основных результатов и выводов. Диссертационная работа изложена на 136 страницах, включает 10 таблиц, 65 рисунков и список литературы из 161 наименования.
