Неэмпирическое моделирование свойств эндо- и экзоэдральных комплексов углеродных нанотрубок Созыкин, Сергей Анатольевич

Введение к работе

Актуальность работы

Углеродные нанотрубки (УНТ) - протяженные каркасные структуры из атомов углерода - активно изучаются с момента их открытия (Иджима, 1991 г. [1]) из-за уникальных механических и электрических свойств. Вместе с малыми, микроскопическими, размерами в одном измерении 10 им) и большими, макроскопическими, - в другом (до ~ 10 см) такой комплекс свойств оказался весьма привлекательным для разнообразных приложений в материаловедении, микроэлектронике и приборостроении.

Истекшие 20 лет показали, однако, что промышленное освоение (коммерциализация) потенциальных возможностей нанотехнологии идет гораздо медленнее, чем ожидалось, по ряду причин, как технического, так и фундаментального планов [2]. К первым относится, например, отсутствие эффективных средств для манипуляций с ианочастицами и их ансамблями. Причины второго рода связаны с тем, что уникальные свойства наночастиц нельзя реализовать иначе, как во взаимодействии с другими телами. Фундаментальная проблема заключается в том, чтобы понять, как изменяются свойства микроскопической системы (например, УНТ), когда она взаимодействует с другой системой того же, меньшего или большего масштаба. Возможности экспериментального изучения поставленных вопросов сейчас весьма ограничены. Выходом является использование расчетных методов и в первую очередь - тех методов компьютерного моделирования, которые пригодны для описания микроскопических систем, то есть, квантовомеханических.

Сказанное выше объясняет, почему в последнее время все большее внимание уделяется изучению их комплексов с различными атомными и молекулярными структурами. В частности, известны исследования комплексов УНТ с атомами разной химической природы, адсорбированными на внешней или внутренней поверхности трубки, молекулами - от простейших [3] до сложных органических и даже биологических молекул [4]. Спектр изучаемых свойств определяется спектром предполагаемых приложений УНТ и столь же разнообразен. По этой, видимо, причине имеющиеся сейчас данные о строении и свойствах комплексов довольно фрагментарны, даже для простейших комплексов, составленных из УНТ и атомов с ярко выраженными донорными или акцепторными свойствами. Обычно эти данные касаются комплексов, содержащих одиночные атомы-адсорбаты или, наоборот, содержащих предельное их количество, допустимое по геометрическим или химическим соображениям. О том, что происходит с нанотрубкой при последовательном заполнении ее поверхности инородными атомами, неизвестно практически ничего, хотя в природе заселение поверхности происходит именно последовательным образом - за счет капиллярных сил, диффузии из раствора или газовой фазы. Кроме того, эти данные относятся, как правило, к атомной и электронной структуре комплексов, но не к тем свойствам, которые и создают интерес к УНТ - в первую очередь, к механическим и электрическим.

Сказанное выше определяет актуальность представленной работы, целью которой является изучение методами первопринципного моделирования строения, механических и электрических свойств комплексов, образующихся при последовательном заполнении поверхностей УНТ инородными атомами. В качестве таковых рассмотрены атомы с выраженными свойствами доноров или акцепторов электронов - атомы щелочных металлов и халькогенов.

Для достижения поставленных целей необходимо решить следующие задачи.

1. Разработать методики моделирования УНТ, взаимодействующих с окружением, подвергнутых деформациям и внешним электрическим полям.

2. Создать инструменты эффективной подготовки исходных данных для моделирования и интерпретации его результатов.

3. Оценить параметры первопринципного моделирования, обеспечивающие надежность получаемых результатов с одной стороны и приемлемое время выполнения расчетов - с другой стороны.

4. Выполнить численные эксперименты по определению механических и электрических свойств комплексов УНТ и влияние на них концентрации адсорбированных атомов.

5. Рассчитать атомную и электронную структуру эндо- и экзоэдральных комплексов УНТ с атомами донорами и акцепторами электронов.

Научная новизна работы сформулирована в виде следующих положений, которые выносятся на защиту:

5. 1. При последовательном заполнении полости УНТ смена структурных состояний атомов щелочных металлов происходит в несколько этапов: изолированные атомы - изолированные кластеры - протяженные кластеры - плотноупакованные структуры.

   2. В структурообразовании эндоэдральных комплексов имеют место две основные тенденции: 1) преимущественное расположении атомов щелочных металлов вблизи стенки УНТ, доминирующее на первом этапе, 2) расположение друг относительно друга на расстояниях, близких к таковым в конденсированных фазах или свободных кластерах, превалирующее на заключительных этапах заполнения нанотрубки.

   3. При переходе от первого этапа ко второму резко изменяется характер распределения зарядовой плотности в комплексе: если на первом этапе от атомов-доноров к стенке трубки переносится (в расчете на атом ад- сорбата) заряд, почти равный заряду электрона, то на втором и всех следующих этапах его величина в три-четыре раза, меньше, что свидетельствует об образовании внутрикластерных связей.

   4. При большой концентрации атомов щелочных металлов, внедренных в полость УНТ, плотность электронных состояний на уровне Ферми не зависит от типа проводимости трубки.

   5. Внедрение атомов в полость УНТ с полупроводниковой проводимостью приводит к исчезновению запрещенной щели в ее энергетическом спектре, а при адсорбции атомов халькогена, на металлической УНТ тип проводимости может смениться на полупроводниковый.

   Практическая ценность диссертационной работы состоит в следующем:

   5. 5. 1. Созданы инструменты, повышающие эффективность массивных вычислений при первопринципном моделировании наносистем, и отработана методика моделирования механических, электронных и электрических свойств эндо- и экзоэдральных комплексов углеродных нанотрубок.

         2. Информация о поведении механических и электрических свойств УНТ при низких концентрациях адсорбированных атомов полезна для определения глубины очистки перспективных для приложений ансамблей УНТ.

         3. Данные о структурных состояниях инкапсулированных атомов представляют непосредственный интерес при проектировании Li-ионных аккумуляторов нового поколения, указывая основные этапы обратимого заполнения полости УНТ атомами Li.

         Апробация работы

         Работа обсуждалась на десятом израильско-российском семинаре «Оптимизация состава, структуры и свойств металлов, оксидов, композитов, нано- и аморфных материалов» (Израиль, Иерусалим, 2011 г.), 11-й всероссийской конференции с международным участием «Материалы нано-, микро-, опто- электроники и волоконной оптики: физические свойства и применение» (Саранск, 2012 г.), XIII международной конференции «Опто-, наноэлектроника, нанотехнологии и микросистемы» (Новороссийск, 2011 г.), международной научно-технической конференции «Нанотехнологиии функциональных материалов» (Санкт-Петербург, 2010 г.), двух Международных зимних школах физиков-теоретиков «Коуровка-2010» (Новоуральск, 2010 г.) и «Коуровка,- 2012» (Новоуральск, 2012 г.), трех всероссийских конференциях Структура и динамика молекулярных систем «Яльчик-2010» (Йошкар-Ола, 2010 г.), «Яльчик-2011» (Казань, 2011 г.) и «Яльчик-2012» (Йошкар-Ола, 2012), двух всероссийских конференциях по наноматериалам «НАНО-2009» (Екатеринбург, 2009 г.) и «НАНО-2011» (Москва, 2011 г.), шестнадцатой всероссийской конференции студентов-физиков и молодых ученых «ВНКСФ-16» (Волгоград, 2010 г.), девятой международной конференции-семинаре «Высокопроизводительные параллельные вычисления на кластерных системах» (Владимир, 2009 г.), двух российских конференциях «Строение и свойства металлический и шлаковых расплавов» (Екатеринбург, 2008 г.; Екатеринбург, 2011 г.).

         Часть разделов данной работы были выполнены в рамках реализации ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009- 2013 гг. (ГК № 14.740.11.1420 от 02 ноября 2011 г.), государственного задания 2.4229.2011.

         Публикации

         Материалы диссертации опубликованы в 22 печатных работах, включая 5 статей в журналах из списка ВАК.

         Личный вклад автора

         В основу диссертации положены результаты научных исследований, полученные автором в период с 2008 г. по 2012 г. Работа выполнена в ЮжноУральском государственном университете на физическом факультете на кафедре общей и теоретической физики. В получении всех представленных в диссертации результатов автор принимал непосредственное участие. Подготовка к публикации полученных результатов проводилась совместно с соавторами, причем вклад диссертанта был определяющим.

         Структура и объем диссертации

         Похожие диссертации на Неэмпирическое моделирование свойств эндо- и экзоэдральных комплексов углеродных нанотрубок

         Мессбауэровские исследования особенностей свойств комплексов железа и олова в растворахДело, Мустафа Омар

         Оптические и электрические свойства тонкопленочных полимерных систем на основе комплексов переходных металловВодкайло, Екатерина Габриеловна

         Моделирование комплексов ДНК с биологически активными соединениямиРамазанов, Руслан Рафядинович

         

         Моделирование процессов перестройки структуры комплексов переходных металлов в конденсированных средахДарховский Михаил Борисович

         Моделирование механических свойств многослойных углеродных нанотрубокНьи Ньи Лайнг

         

         Моделирование равновесных свойств, фазовых переходов и локальной подвижности в двумерных частично упорядоченных полимерных доменахШевченко Светлана Сергеевна

         

         Моделирование аномальных свойств аморфных твердых телПостников Сергей Валерьевич

         

         Электронные свойства и моделирование разбавленных магнитных полупроводников: Ga_(1-x)Mn_(x)N, Ga_(1-x)Mn_(x)As, Ge_(1-x)Mn_(x)Титов Андрей Анатольевич

         Компьютерное моделирование структуры и свойств некоторых жидких и аморфных металлов и сплавов на основе Fe, Ag и NiМомчев, Младен Пенев

         

         Компьютерное моделирование структуры и свойств аморфных металлов и сплавовКаширин Владимир Борисович