авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:     | 1 | 2 || 4 |

Однослойные углеродные нанотрубки и некоторые композиты на их основе: строение и электронные свойства

-- [ Страница 3 ] --

Установлен факт активного капиллярного «всасывания» Н2 в данные нанотрубки, причем образующиеся газофазные композиты стабильны. Установлено, что краевая модификация стимулирует процесс внедрения молекулы Н2 в полость трубок малого диаметра (n,0) (рис. 3).

 Профили поверхностей потенциальных-20

Рис. 3. Профили поверхностей потенциальных энергий процессов внедрения молекулы Н2 в углеродные нанотрубки (6,0) гранично-модифицированные: О, ОН, NH2.

При этом молекула преодолевает потенциальные барьеры различной высоты при наличии различных граничных групп. Анализ электронно-энергетических характеристик полученных газофазных композитов установил, что интеркалированные молекулы Н2 не изменяют тип проводимости модифицированных нанотруб (ширина запрещенной зоны практически не изменяется).

Итак, возможно создание структурно-модифицированных композитов на основе однослойных углеродных нанотруб путем насыщения границы тубулена функциональными группами. Данная модификация обеспечивает новые применения полученных композитов, в том числе в качестве наносенсоров, активных квантовых проводов и хранилищ атомов и молекул.

Раздел 3.5 посвящен изучению процессов внедрения атомарного кислорода и фтора в полость углеродных нанотруб капиллярным способом. Впервые определено влияние краевых функциональных групп (О, ОН и NH2) на процесс «капиллярного» заполнения однослойных углеродных нанотруб (n,n) и (n,0) атомарным кислородом. Установлено положительное влияние аминогруппы (6·(NH2)) на процесс внедрения О в полость трубок (процесс стабильный). Что касается других функциональных групп, то анализ результатов показывает, что внедрение атома кислорода в тубулены (n,0), модифицированные 3·(О) и 3·(NH2), носит неярко выраженный барьерный характер; преодоление потенциального барьера происходит классическим путем. Внедрение в нанотрубки, модифицированные 6·(О) и 6·(ОН) – безбарьерный процесс, однако образующийся комплекс метастабилен. В трубку, модифицированную 6·(О), атом кислорода не проникает, что, вероятно, связано с возникающими силами кулоновского отталкивания. При внедрении атома О в гранично-модифицированные тубулены (n,n) функциональными группами 6·(ОН) и 6·(NH2) потенциальный барьер на пути отсутствует. Образующиеся комплексы – стабильны. Наличие граничной модификации в виде гидроксильных групп и интеркалята атома О практически не изменяет ширину запрещенной зоны, т.е. не изменяет тип проводимости получаемых композитных систем (рис. 4). Получившиеся системы можно классифицировать как структурно-модифицированные газофазные нанотубулярные композиты.

Рис. 4. Одноэлектронные энергетические спектры тубуленов (6,6), рассчитанные методом МК: 1) с краевой модификацией 6(ОН) и интеркалированным атомом кислорода О; 2) с краевой модификацией в виде 6(ОН).

Изучены механизмы капиллярного внедрения атомарного кислорода и фтора в открытые углеродные нанотрубки (n,n) и (n,0). Установлено, что в тубулены (n,0) атом О не проникает, что может быть объяснено возникновением кулоновского отталкивания между О и граничными атомами С. При внедрении в трубки (n,n) (n = 6, 8) идет активный капиллярный процесс, стимулированный кулоновским притяжением. Установлена принципиальная возможность процесса внедрения атома фтора в полость всех выбранных тубуленов, однако для внедрения F в трубку (6,0) требуется дополнительное внешнее воздействие (процесс – метастабильный).

В экспериментальной работе [7] говорится об изменении проводящих свойств нанотрубок при наличии атомов фтора: из проводников они превращаются в диэлектрики. В этой связи в рамках модели ИВ-КЦК изучены интеркалированные атомарным фтором газофазные композиты на основе тубуленов (n,n) и (n,0). Исследованы особенности электронно-энергетического строения полученных систем (табл. 3).

Установлено, что внедрение атомов фтора приводит к увеличению запрещенной щели углеродных нанотруб и, соответственно, изменяет их проводящие свойства, чем определяет возможности их использования в наноэлектронике.

Подводя итоги третьей главы, можно сделать вывод, что нанотрубки обладают отличной капиллярной и адсорбционной способностью; это открывает новые перспективы использования их в качестве адсорбентов атомов других элементов, хранилищ атомов и молекул газовой фазы и получения новых материалов на их основе, которые могут быть эффективно использованы в современной наноэлектронике.

Таблица 3

Основные энергетические характеристики углеродных нанотрубок с открытой границей и тубуленов с интеркалированными атомами фтора.

Тип тубулена Чистая нанотрубка Ev, эВ Ес, эВ Eg, эВ Ev, эВ
Интеркалированный атом
(6,6) Чистая нанотрубка -5.43 -3.98 1.45 45.97
F -6.06 -3.96 2.01 45.81
2й F - 6.87 -2.95 3.92 44.97
(8,8) Чистая нанотрубка -5.60 -4.92 0.68 46.64
F -4.78 -3.28 1.50 41.47
(8,0) Чистая нанотрубка -5.21 -4.52 0.69 45.30
F -6.35 -4.49 1.86 43.91

Четвертая глава посвящена теоретическому и экспериментальному исследованию интеркалированных металлофазных композитов на основе однослойных углеродных нанотрубок.

В разделе 4.1 рассматриваются механизмы адсорбции структурных единиц FeO, Fe2O3 и Fe3O4 на поверхности ОУНТ. Теоретические исследования были стимулированы инновационным предложением научной группы Саратовского государственного университета под руководством д. ф.-м. н., проф. Усанова Д. А. о возможности получения пленки с ориентированными перпендикулярно плоскости пленки углеродными нанотрубками в твердой матрице из оксида железа трех- и двухвалентного. Подобные ориентированные системы могут быть использованы в качестве элементов холодных катодов на основе углеродных нанотруб. Эмиссионные свойства нанотрубок проявляются при существенно более низких значениях приложенного напряжения по сравнению с традиционно используемыми автоэмиссионными катодами. Нами были выполнены полуэмпирические исследования методом MNDO/РМ3 адсорбционного взаимодействия углеродных нанотрубок (n,n) и (n,0) (n = 6, 8, 10, 12, 18) с фрагментами оксида железа двух- и трехвалентного FeO, Fe2O3 и комплексом этих оксидов Fe3O4 через активный центр – атом кислорода. Установлено, что все структурные единицы разновалентного железа активно адсорбируются на поверхности тубуленов (n,n) с образованием кислородного мостика. Расстояние адсорбции оказалось равным 1.5 , что указывает на факт химической связи между атомом кислорода оксида железа и атомом С поверхности трубки с обменом электронной плотностью между ними (химическая адсорбция).

Для нанотрубок (n,0) процесс адсорбции фрагментов оксидов железа (II,III) на поверхности тубуленов малого диаметра имеет метастабильный характер. Стабильны лишь адсорбционные комплексы выбранных оксидов с тубуленом (18,0), диаметр которых сравним с диаметром нанотрубки (12,12). Выявлено, что больший диаметр нанотрубок обеспечивает большую стабильность адсорбционных комплексов. Доказанный факт возможности адсорбционного взаимодействия углеродных нанотрубок с оксидами железа, входящими в состав магнитной жидкости, позволяет утверждать, что именно оксиды железа играют одну из ключевых ролей при создании массивов ориентированных в магнитных полях нанотрубок, не являющихся по своей природе магнитными. Установлено, что результаты, полученные методом MNDO/PM3, хорошо согласуются с результатами, полученными при расчетах более строгим методом расчета DFT (расхождение результатов по энергиям составляет около 0.1 эВ для данной задачи, а расстояние адсорбции в среднем составило 1.5 ).

В разделе 4.2 для доказательства правильности полученных нами теоретических выводов представлены результаты экспериментального исследования топологии массива ориентированных нанотрубок в магнитной жидкости, выполненного с помощью атомно-силового микроскопа SolverPro. Обнаружена явная ориентация массива нанотрубок относительно подложки для различных направлений магнитного поля. Сечение нанотрубок, перпендикулярно ориентированных в магнитной жидкости, оказалось равным 50 нм. Таким образом, была экспериментально подтверждена возможность создания массивов ориентированных нанотрубок в магнитных полях при их взаимодействии с оксидами железа, являющихся компонентами магнитных жидкостей.

В разделе 4.3 устанавливается механизм интеркалирования ОУНТ атомами легких и переходных металлов. Приводятся основные электронно-энергетические характеристики интеркалированных металлофазных нанотубулярных композитных структур. В работе [8] представлен факт внедрения атомов щелочных и щелочно-земельных металлов в ахиральные углеродные нанотрубки, приводящий к «металлизации» трубки и созданию так называемых «квантовых нанопроводов». Представляло интерес исследование возможности внедрения атомов легких и переходных металлов в нанотрубки. Исследован механизм капиллярного заполнения нанотрубки атомами Al путем моделирования процесса последовательного внедрения атомов в полость тубулена Исследованы нанотрубки (6,6). Структуры полубесконечных трубок моделировались кластерами двух вариантов: 1) граница трубки открыта; 2) разорванные связи границы замыкаются атомами водорода (рис. 5).

а) б)

Рис. 5. Модель процесса внедрение атомов Al в полости трубок (6,6): а) последовательное внедрение двух Al в полость через открытую границу; б) внедрение Al через границу, модифицированную атомами водорода.

В результате расчетов были построены профили поверхностей потенциальных энергий процессов внедрения атомов алюминия в выбранные тубулены. Анализ результатов показал, что данные процессы происходят в основном с преодолением потенциального барьера путем квантового туннелирования. Образующийся комплекс при внедрении в открытые тубулены одного атома Al стабильный, однако при внедрении второго атома Al получается метастабильная система. Аналогичные результаты получены и для моделей нанотрубок, гранично-модифицированных водородом. Однако образующиеся комплексы «нанотрубка – атом Al» всегда стабильны, что, вероятно, связано с усилением капиллярного эффекта за счет краевой модификации. Расстояние между атомами алюминия в обоих вариантах (1 и 2) примерно одинаково и составляет 2 , что соответствует параметру решетки кристаллического алюминия. Методом ИВ-КЦК рассчитаны электронные структуры открытых тубуленов типа (n,n) с внедренными в полость трубки атомами алюминия. Следует отметить, что применение циклической модели в данном случае обеспечивает корректное описание особого вида заполненных нанотрубок – так называемую нанопроволоку. В системах атомы металла помещались в полость трубки в наиболее устойчивые состояния, определенные методом МК (локальные минимумы). Установлено, что с увеличением количества внедряющихся атомов Al ширина запрещенной энергетической щели уменьшается, что свидетельствует об изменении характера проводимости металлофазного композита в сторону металлизации. Результаты, полученные методом MNDO, находятся в хорошем соответствии с результатами, полученными при использовании метода MNDO/PM3 (табл. 4).

Были изучены также механизмы заполнения ОУНТ атомами переходных металлов Ni с целью изучения эффективности капиллярных явлений для получения нанопроводов, изолированных углеродным нанослоем. Рассчитаны электронные структуры тубуленов (12,12) и (12,0) c внедренными в полость трубки одним или несколькими атомами никеля. Рассмотрены два варианта внедрения атомов Ni в полость нанотрубок: 1) через открытый торец тубулена; 2) через торец, гранично-модифицированный атомами водорода. Установлено, что процессы заполнения углеродных трубок переходными металлами никеля происходят в основном безбарьерным способом либо же этот барьер очень мал. Этот результат наблюдается как для моделей открытых нанотрубок, так и для трубок, гранично-модифицированных водородом (рис. 6).

Таблица 4

Электронно-энергетические характеристики интеркалированных атомами алюминия открытых тубуленов типа (6,6): q – заряды на атомах Al; Еg – ширина запрещенной зоны; Еv – ширина валентной зоны.

Модификация тубулена Кол-во атомов Al MNDO MNDO/PM3
q Еg, эВ Еv, эВ q Еg, эВ Еv, эВ
нет 1 0.98 2.01 47.23 0.96 1.80 46.31
2 0.98 1.33 47.58 0.97 1.13 46.66
3 0.99 0.88 46.01 0.97 0.65 45.12


Pages:     | 1 | 2 || 4 |
 





 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.