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 | 3 ||

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

-- [ Страница 4 ] --

Анализ профилей потенциальных энергий показал, что минимум энергии находится довольно далеко от края тубулена, что свидетельствует об эффективности капиллярных явлений для рассмотренных систем даже при низких температурах. Причем чем больше диаметр трубки, тем более активным и стабильным является процесс капиллярного всасывания. Наличие атомов водорода на концах трубки способствует более глубокому проникновению атомов Ni в полость тубуленов и уменьшает высоту потенциального барьера. Интеркалирование тубуленов атомами Ni также вызывает уменьшение ширины запрещенной щели, что свидетельствует об изменении характера проводимости данных интеркалированных металлофазных композитов в сторону металлизации и созданию так называемых «квантовых нанопроводов».

 а) б) Рис 6. Профили поверхностей-23

а) б)

Рис 6. Профили поверхностей потенциальных энергий процессов внедрения в углеродные нанотрубки (12,12) с открытой границей: а) внедряется первый атом Ni; б) внедряется второй атом Ni (MNDO-метод).

В разделе 4.4 описываются результаты экспериментального исследования металлофазных интеркалированных композитов на основе углеродных нанотрубок.

Возможность интеркалирования ОУНТ атомами легких и переходных металлов была подтверждена серией экспериментальных исследований композитов на основе углеродных нанотрубок, полученных методом каталитического пиролиза при использовании впервые подобранного нового ряда катализаторов процесса с помощью установки «CVDomna» (производство г. Зеленограда). Выполненная визуализация углеродных наносистем (с использованием просвечивающей микроскопии и атомно-силовой микроскопии) обнаружила присутствие в полости тубуленов внедренных металлических частиц Al и Ni, входящих в состав катализаторов, что доказывает возможность капиллярного заполнения углеродных нанотруб атомами легких и переходных металлов и создания композитных интеркалированных систем (рис. 7).

Рис. 7. ПЭМ-изображение углеродной нанотрубки с частицей катализатора на ее конце.

В заключении сформулированы основные выводы и результаты диссертационной работы.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ

На основе теоретических и экспериментальных исследований мы пришли к следующим результатам и выводам:

1. Рассмотрены два возможных варианта внедрения молекулярного водорода в полость углеродной нанотрубки типа (n,n): капиллярный и внедрение путем «смачивания» боковой поверхности. Обнаружено, что при внедрении путем «смачивания» происходит диссоциация молекулы H2, при этом один атом H адсорбируется на внешней поверхности трубки, а второй проникает в полость нанотубулена и адсорбируется на его внутренней поверхности.

Внедрение второй молекулы водорода в полость тубулена путем «смачивания» также приводит к ее диссоциации и адсорбции составляющих ее атомов на внешней и внутренней поверхности трубки. Однако объединения двух атомов Н, находящихся в полости нанотубулена, в молекулу H2 не происходит.

2. Установлены механизмы капиллярного заполнения углеродных нанотрубок молекулярным водородом через открытый (ненасыщенный) торец и через торец, замкнутый функционализирующими атомами водорода; выявлен факт активного капиллярного «всасывания» Н2 в нанотрубки (n,n). Обнаружено, что наиболее эффективно этот процесс происходит при наличии краевых атомов водорода. Данные структуры можно классифицировать как газофазные и структурно-модифицированные газофазные нанотубулярные композиты.

3. Установлен механизм образования вакансионного дефекта поверхности однослойных углеродных нанотрубок (n,n). Определены особенности геометрической структуры полученного структурно-модифицированного тубулена и изучены его основные электронно-энергетические характеристики. Построена термическая зависимость относительной доли вакансий в углеродной нанотрубке (n,n).

Впервые установлен механизм внедрения атомарного водорода в полость нанотрубки через вакансионный дефект поверхности; определены основные электронно-энергетические характеристики этого процесса. Выполненные сравнения высот потенциальных барьеров, преодолеваемых атомарным водородом при внедрении в полость тубулена для случаев проникновения через поверхностный гексагон бездефектной нанотрубки и через вакансионный дефект поверхности, позволили сделать вывод о том, что наличие вакансии не способствует более активному проникновению атома водорода в полость, что, вероятно, объясняется кулоновским отталкиванием со стороны возмущенных атомов углерода, окружающих вакансию.

4. Установлены механизмы процессов краевого модифицирования углеродных нанотруб функциональными группами O, OH и NH2; выявлены особенности геометрической структуры полученных систем и изучено их электронно-энергетическое строение. Сделан вывод о том, что атомные орбитали модифицирующих атомов дают основные вклады в валентную зону; ширина запрещенной зоны увеличивается с увеличением кислородного насыщения краевой области гранично-модифицированных тубуленов.

Данные структуры (углеродные нанотрубы с функциональными группами) могут быть классифицированы как структурно-модифицированные композиты.

5. Определено влияние краевых функциональных групп (О, ОН и NH2) на процессы капиллярного заполнения углеродных нанотрубок (n,n) и (n,0) атомарным водородом и установлено положительное влияние на процесс внедрения гидроксильных групп и атомов кислорода в случаях неполного насыщения открытой границы тубулена.

6. Впервые выявлен механизм капиллярного внедрения молекулы водорода в гранично-модифицированные нанотрубки. Установлено, что с увеличением краевого насыщения тубулена атомами кислорода процесс капиллярного «всасывания» Н2 активизируется. Анализ электронно-энергетических характеристик полученных газофазных композитов установил, что интеркалирование молекулы Н2 не изменяет тип проводимости модифицированных нанотруб. Полученные структуры могут быть классифицированы как структурно-модифицированные газофазные композиты на основе нанотруб.

7. Впервые установлено влияние краевых функциональных групп (О, ОН и NH2) на процесс «капиллярного» заполнения однослойных углеродных нанотруб (n,n) и (n,0) атомарным кислородом; выявлено положительное влияние аминогрупп на процесс внедрения О в полость трубок. Данные системы можно классифицировать как структурно-модифицированные газофазные нанотубулярные композиты.

8. Впервые определены механизмы капиллярного внедрения атомарного кислорода 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) идет активный капиллярный процесс, стимулированный кулоновским притяжением. Выявлено электронно-энергетическое строение получающихся газофазных интеркалированных композитов.

9. Изучен процесс капиллярного внедрения атомарного фтора в полость открытых углеродных нанотруб (n,n) и (n,0). Установлена принципиальная возможность данного процесса для всех выбранных тубуленов, однако для внедрения F в трубку (6,0) требуется дополнительное внешнее воздействие (процесс – метастабильный).

10. В рамках модели ИВ-КЦК рассмотрены интеркалированные атомарным фтором газофазные композиты на основе тубуленов (n,n) и (n,0). Установлены особенности электронно-энергетического строения полученных систем. Обнаружено, что внедрение атомов фтора приводит к увеличению запрещенной зоны углеродных нанотруб и, соответственно, изменяет тип их проводимости, что определяет возможности их использования в наноэлектронике.

11. Впервые выполнены полуэмпирические исследования адсорбционного взаимодействия углеродных нанотрубок (n,n) и (n,0) с фрагментами оксида железа двух- и трехвалентного FeO, Fe2O3 и комплексом этих оксидов Fe3O4 через активный центр – атом кислорода – и доказана возможность создания упорядоченной структуры нанотруб в магнитной жидкости при наложении постоянного магнитного поля определенной направленности. Обнаруженный факт 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. Выявлено, что больший диаметр нанотрубок обеспечивает большую стабильность адсорбционных комплексов. Данные системы можно классифицировать как структурно-модифицированные оксидосодержащие нанотубулярные композиты.

Полученные теоретические выводы подтверждены экспериментальным анализом образцов, представляющих собой высушенные в магнитном поле различной направленности пленки с углеродными нанотрубками в твердой матрице из оксида железа. Обнаружена ориентация тубуленов по направлению поля.

12. Впервые изучен процесс заполнения полости углеродных нанотруб атомами алюминия. Определены основные электронно-энергетические характеристики этого процесса. Установлено, что с увеличением количества внедряющихся атомов Al ширина запрещенной энергетической щели уменьшается, что свидетельствует об изменении характера проводимости металлофазного композита в сторону металлизации.

13. Впервые изучен механизм заполнения полости углеродных нанотруб атомами никеля. Установлено, что процессы заполнения происходят в основном безбарьерным способом, либо же этот барьер очень мал. Минимум энергии потенциальных кривых находится довольно далеко от края тубулена, что свидетельствует об эффективности капиллярных явлений для рассмотренных систем даже при низких температурах.

Интеркалирование тубуленов атомами Ni вызывает уменьшение ширины запрещенной щели, что свидетельствует об изменении характера проводимости данных интеркалированных металлофазных композитов в сторону металлизации и созданию так называемых «квантовых нанопроводов».

14. Выводы пунктов 12 и 13 были подтверждены серией экспериментальных исследований композитов на основе углеродных нанотрубок, полученных методом каталитического пиролиза при использовании впервые подобранного нового ряда катализаторов процесса. Выполненная визуализация углеродных наносистем обнаружила присутствие в полости тубуленов внедренных металлических частиц Al и Ni, входящих в состав катализаторов, что доказывает возможность капиллярного заполнения углеродных нанотруб атомами легких и переходных металлов.

15. Доказана возможность и эффективность использования полуэмпирической расчетной схемы MNDO. Выполненные расчеты большинства поставленных задач более строгими методами MNDO/PM3 и DFT обнаружили хорошее согласие полученных разными методами результатов. Таким образом, схема MNDO может быть использована для исследований как хорошо себя зарекомендовавшая для расчетов и требующая меньшего компьютерного времени.

В рамках выбранной тематики диссертационной работы данные результаты могут служить доказательством возможности создания устойчивых многомолекулярных композитов.

Цитируемая литература

1. CO2 adsorption in single-walled carbon nanotubes / M. Cinke [et al.] // Chem. Phys. Lett. – 2003. – Vol. 376. – P. 761.

2. Запороцкова, И. В., Лебедев, Н. Г., Чернозатонский, Л. А. Полуэмпирические исследования механизмов внутреннего насыщения углеродных нанотрубок атомарным водородом / И. В. Запороцкова, Н. Г. Лебедев, Л. А. Чернозатонский // Углерод : фундаментальные проблемы науки, материаловедение, технология : сб. тр. III Междунар. конф., г. Москва, 13–15 окт. 2004 г. – М : МГУ, 2004. – C. 105.

3. Covalently functionalized nanotubes as nanometre-sized probes in chemistry and biology / S. S. Wong [et al.] // Nature. – 1998. – Vol. 394. – P. 52.

4. Covalently-functionalized single-walled carbon nanotube probe tips for chemical force microscopy / S. S. Wong [et al.] // J. Chem. Soc. – 1998. – Vol. 120. – P. 8557.

5. Запороцкова, И. В. Заполнение углеродных нанотруб водородом : вероятные механизмы // Нанотехника. – 2005. – № 4. – C. 34–37.

6. Storage of hydrogen in single-walled carbon nanotubes / A. C. Dillon [et al.] // Nature. – 1997. – Vol. 386. – P. 377.

7. Flourination of single-wall carbon nanotubes / E. T. Mickelson [et al.] // Chem. Phys. Lett. – 1998. – Vol. 296. – P. 188–194.

8. Запороцкова, И. В., Лебедев, Н. Г., Чернозатонский, Л. А. Электронное строение углеродных нанотрубок, модифицированных атомами щелочных металлов / И. В. Запороцкова, Н. Г. Лебедев, Л. А. Чернозатонский // Физика твердого тела. – 2004. – T. 46, вып. 6. – C. 1137–1142.

Основные публикации по теме диссертации

1. Запороцкова, И. В., Прокофьева, Е. В., Давлетова, О. А. Нанотубулярные композиты и их полуэмпирическое исследование / И. В. Запороцкова, Е. В. Прокофьева, О. А. Давлетова // Материалы электронной техники. – 2006. – Вып. 2. – С. 4–15.

2. Запороцкова, И. В., Прокофьева, Е. В. Исследование влияния краевой функционализации на процессы капиллярного заполнения углеродных нанотрубок водородом / И. В. Запороцкова, Е. В. Прокофьева // Физика волновых процессов и радиотехнические системы. – 2009. – Т. 12, № 4. – С. 107–111.

3. Запороцкова, И. В., Прокофьева, Е. В. Взаимодействие углеродных нанотруб с оксидами железа как способ создания пленок с ориентированными массивами тубуленов / И. В. Запороцкова, Е. В. Прокофьева // Физика волновых процессов и радиотехнические системы. – 2010. – Т. 13, № 1. – С. 99–104.

4. Прокофьева, Е. В. Исследование процесса внедрения атома кислорода в углеродные нанотрубки / Е. В. Прокофьева // Современные проблемы теоретической и экспериментальной химии : сб. тр. Всерос. конф., г. Саратов, 28 июня–2 июля 2007 г. – Саратов : Изд-во СГУ, 2007. – С. 365.

5. Запороцкова, И. В., Прокофьева, Е. В. Изучение процессов внедрения водорода в однослойные углеродные нанотрубки капиллярным способом / И. В. Запороцкова, Е. В. Прокофьева // Наноматериалы : методы, идеи. Сб. статей. – Волгоград : Изд-во ВПО НОУ ВИБ, 2008. – С. 75–78.

6. Запороцкова, И. В., Прокофьева, Е. В., Запороцков, П. А. О возможности получения массива ориентированных нанотрубок при адсорбционном взаимодействии оксидов железа с однослойными углеродными тубуленами / И. В. Запороцкова, Е. В. Прокофьева, П. А. Запороцков // Вестник ВолГУ. Сер.10. Инновационная деятельность. – 2008. – Вып. 3. – C. 88–94.

7. Прокофьева, Е. В., Борознин, С. В., Запороцкова, Н. П. Технология получения композитных материалов на основе углеродных нанотруб / Е. В. Прокофьева, С. В. Борознин, Н. П. Запороцкова // Всероссийская молодежная выставка-конкурс прикладных исследований, изобретений и инноваций : сб. тр. Всерос. конф., г. Саратов, 27–28 октября 2009 г. – Саратов : Изд-во СГУ, 2009. – С. 104.

8. Прокофьева, Е. В. Исследование интеркалированных нанотубулярных композитных структур / Е. В. Прокофьева // Нанотехнологии–2009 : сб. тр. СИМПОЗИУМ, г. Таганрог, 23–26 нояб. 2009 г. – Таганрог, 2009. – С. 93–94.

9. Prokofyeva, E.V., Zaporotskova, I.V. Capillary introduction of elementary fluorine and oxygen into single-walled carbon nanotube : semi-empirical research / E.V. Prokofyeva, I.V. Zaporotskova // Fullerenes and Atomic Clusters : abs., St.- Petersburg, July 6–10, 2009. – St.- Petersburg, Russia, 2009. – P. 11.

10. Прокофьева, Е. В., Запороцкова, И. В. Полуэмпирические исследования некоторых газофазных композитов на основе углеродных нанотрубок / Е. В. Прокофьева, И. В. Запороцкова // Перспективные технологии, оборудование и аналитические системы для материаловедения и наноматериалов : сб. тр. VII Междунар. Российско-Казахстанско-Японской науч. конф.,– Москва, 2009. – С. 36–39.



Pages:     | 1 |   ...   | 2 | 3 ||
 





 
© 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.