МОДЕЛИРОВАНИЕ КОЛЕБАТЕЛЬНЫХ СВОЙСТВ ПЛЕНОК НАНОСТРУКТУРНОГО УГЛЕРОДА НА МЕТАЛЛИЧЕСКОЙ ПОДЛОЖКЕ
|
ЗАДАНИЕ 2
РЕФЕРАТ 3
ВВЕДЕНИЕ 7
1 ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ 12
1.1 Метод функционала плотности (DFT) 12
1.1.1 Общий квантово-механический подход для вычисления
электронной структуры 12
1.1.2 Принцип метода DFT 13
1.1.3 Приближение Кон-Шема для DFT 16
1.1.4 Псевдопотенциальное приближение 18
1.2 Динамика решетки из первых принципов. Динамическая матрица и
частоты фононов 24
1.3 Свойство низкоразмерных углеродных материалов 26
1.3.1 Идеальная бесконечная цепочка: взаимодействие между
электронными и колебательными свойствами 27
1.3.2 Системы sp-углерод с конечной длиной: молекулярные колебания
и рамановская спектроскопия 38
2 МЕТОДИКА МОДЕЛИРОВАНИЯ СВОЙСТВ ЛИНЕЙНОГО
ЦЕПОЧЕЧНОГО УГЛЕРОДА (ЛЦУ) 47
2.1 Упрощенная и модифицированная структурная модель ЛЦУ 47
2.2 Моделирование спектров комбинационного рассеяния с помощью
пакета Quantum Espresso (QE) 50
2.2.1 Оптимизация волновой функции методом самосогласованного поля (SCF) 52
2.2.2 Расчет частот колебаний (фононов) с ph.x 58
2.2.3 Извлечение фононной информации с использованием функции
бупшайх 59
2.2.4 Построение и анализ выходных данных dynmat.x 60
2.3 Безопасность жизнедеятельности 61
2.3.1 Характеристика рабочего места 61
2.3.2 Безопасность труда 61
2.3.3 Условия труда 64
2.3.4 Эргономика рабочего места 65
2.3.5 Пожарная безопасность 67
2.3.6 Чрезвычайные ситуации 68
2.4 Природопользование и охрана окружающей среды 68
2.4.1 Важность вопросов охраны окружающей среды 68
2.4.2 Оценка деятельности человека на окружающую среду 70
2.4.3 Оценка влияния деятельности на человека 71
2.4.4 Обеспечение экологической безопасности 72
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 74
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 76
РЕФЕРАТ 3
ВВЕДЕНИЕ 7
1 ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ 12
1.1 Метод функционала плотности (DFT) 12
1.1.1 Общий квантово-механический подход для вычисления
электронной структуры 12
1.1.2 Принцип метода DFT 13
1.1.3 Приближение Кон-Шема для DFT 16
1.1.4 Псевдопотенциальное приближение 18
1.2 Динамика решетки из первых принципов. Динамическая матрица и
частоты фононов 24
1.3 Свойство низкоразмерных углеродных материалов 26
1.3.1 Идеальная бесконечная цепочка: взаимодействие между
электронными и колебательными свойствами 27
1.3.2 Системы sp-углерод с конечной длиной: молекулярные колебания
и рамановская спектроскопия 38
2 МЕТОДИКА МОДЕЛИРОВАНИЯ СВОЙСТВ ЛИНЕЙНОГО
ЦЕПОЧЕЧНОГО УГЛЕРОДА (ЛЦУ) 47
2.1 Упрощенная и модифицированная структурная модель ЛЦУ 47
2.2 Моделирование спектров комбинационного рассеяния с помощью
пакета Quantum Espresso (QE) 50
2.2.1 Оптимизация волновой функции методом самосогласованного поля (SCF) 52
2.2.2 Расчет частот колебаний (фононов) с ph.x 58
2.2.3 Извлечение фононной информации с использованием функции
бупшайх 59
2.2.4 Построение и анализ выходных данных dynmat.x 60
2.3 Безопасность жизнедеятельности 61
2.3.1 Характеристика рабочего места 61
2.3.2 Безопасность труда 61
2.3.3 Условия труда 64
2.3.4 Эргономика рабочего места 65
2.3.5 Пожарная безопасность 67
2.3.6 Чрезвычайные ситуации 68
2.4 Природопользование и охрана окружающей среды 68
2.4.1 Важность вопросов охраны окружающей среды 68
2.4.2 Оценка деятельности человека на окружающую среду 70
2.4.3 Оценка влияния деятельности на человека 71
2.4.4 Обеспечение экологической безопасности 72
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 74
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 76
Пленки ДУ ЛЦУ - это по существу упорядоченные ансамбли квантовых нитей, располагающихся на расстоянии 0,4...0,5 нм и потому очень слабо взаимодействующих друг с другом (Ван-дер-Ваальсовское взаимодействие). Поэтому свойства ДУ ЛЦУ пленок фактически определяются свойствами отдельных квантовых нитей.
Впервые ДУ ЛЦУ был получен в 1990 г. методом ионно- стимулированной конденсации углеродных паров в вакууме. Как было показано в экспериментах по исследованию углеродных паров во времяпролетном масс-спектрометре [10], поток углерода, испаренного термически или лазерной возгонкой , состоит преимущественно из линейных углеродных цепочек, длина которых возрастает по мере удаления потока от источника. Однако, в общем случае при конденсации на поверхности цепочки сшиваются, образуя графитоподобный конденсат. Нами было обнаружено, что в условиях ионно-стимулированной конденсации углеродных паров на поверхности образуются пленки ДУ ЛЦУ, состоящие из линейных углеродных цепочек, ориентированных нормально к поверхности и образующих упорядоченные ансамбли.
Многие физические свойства кристаллов, такие как спектры инфракрасного (ИК) поглощения, комбинационного рассеяния света (КРС) и неупругого рассеяния нейтронов, удельная теплоемкость, тепловое расширение, теплопроводность, сопротивление в металлах,
сверхпроводимость и др., зависят от особенностей динамики решетки, т.е. спектра колебательных возбуждений, плотности колебательных состояний. Простейший способ теоретического исследования динамики решетки - применение эмпирических потенциалов межатомных взаимодействий. Эмпирические методы обладают существенным недостатком: отсутствием переносимости параметров потенциала при описании различных физических свойств. Развиваемые в последнее время расчеты из первых принципов, хотя и требуют значительных компьютерных вычислений, позволяют в рамках одного метода исследовать различные физические свойства, требуя при этом в качестве вводных данных лишь сведения об атомах из Периодической системы Менделеева. Одним из методов первопринципных вычислений является метод функционала плотности (DFT) в формулировке Хо- хенберга- Кон-Шема [10-14]. Уравнения Кон-Шема сводят многочастичную проблему взаимодействующих электронов к одночастичной задаче с эффективным потенциалом, включающим кинетические энергии невзаимодействующих электронов, электрон-электронные, электрон-ионные, ион-ионные и электронные обменно-корреляционные взаимодействия, зависящие от электронной плотности.
В диссертационной работе проводится исследование структурных, механических, колебательных и электронных свойств гексагональных модификаций алмаза и алмаза с примесями из первых принципов, используя метод функционала плотности в базисе плоских волн, градиентное приближение электронной плотности и ультрамягкие псевдопотенциалы, позволяющие определить самосогласованный потенциал, полную энергию, оптимизировать геометрическую конфигурацию системы и анализировать динамику решетки кристаллов.
Первопринципные вычисления проводятся в базисе плоских волн с использованием пакетов ABINIT и Quantum-Espresso в приближении DFT, псевдопотенциалов, локальных (LDA) и полулокальных (GGA) функционалов для обменно-корреляционных энергий электронов.
Цель диссертационной работы - теоретическое исследование структурных, механических и колебательных свойств наноразмерных пленок двумерно упорядоченного линейно-цепочечного углерода на металлической подложке.
Для решения поставленной цели были сформулированы следующие задачи диссертационной работы:
1 Вычисление структурных параметров, длин связей, упругих свойств и твердости, а также дисперсии фононов и плотности фононных состояний пленок линейно-цепочечного углерода на медной подложке.
2 Расчет интенсивности комбинационного рассеяния для ансамбля углеродных цепей в рамках простой и модифицированной структурной модели.
3 Совмещение экспериментального и расчетного спектров комбинационного рассеяния кристалла ДУ ЛЦУ, анализ применимости структурной модели для описания свойств реальных систем.
4 Анализ возможности аттестации линейно-цепочечных структур методом КРС.
Новизна диссертационной работы заключается в следующем:
• Впервые произведен расчет интенсивности линий КР - спектра ансамбля углеродных цепочек в соответствии с модифицированной структурной моделью пленки ЛЦУ.
• Подтверждено сильное взаимодействие цепочек ансамбля, приводящее к существенным изменяем характера КР - спектра пленки по сравнению с КР-спектром отдельной входящей в его состав цепочки.
Научная и практическая значимость диссертационной работы:
1 Разработана структурная модель ДУ ЛЦУ на металлической подложке, учитывающая присутствие атомов примеси в пространстве между углеродными цепями.
2 Проанализированы важные для развития технологии синтеза ДУ ЛЦУ эффекты влияния подложки и примесных атомов на свойства линейно-цепочечных углеродных структур.
3 Результаты расчетов интенсивности линий в спектре КРС могут быть использованы для экспресс-аттестации образцов ЛЦУ покрытий на медной подложке...
Впервые ДУ ЛЦУ был получен в 1990 г. методом ионно- стимулированной конденсации углеродных паров в вакууме. Как было показано в экспериментах по исследованию углеродных паров во времяпролетном масс-спектрометре [10], поток углерода, испаренного термически или лазерной возгонкой , состоит преимущественно из линейных углеродных цепочек, длина которых возрастает по мере удаления потока от источника. Однако, в общем случае при конденсации на поверхности цепочки сшиваются, образуя графитоподобный конденсат. Нами было обнаружено, что в условиях ионно-стимулированной конденсации углеродных паров на поверхности образуются пленки ДУ ЛЦУ, состоящие из линейных углеродных цепочек, ориентированных нормально к поверхности и образующих упорядоченные ансамбли.
Многие физические свойства кристаллов, такие как спектры инфракрасного (ИК) поглощения, комбинационного рассеяния света (КРС) и неупругого рассеяния нейтронов, удельная теплоемкость, тепловое расширение, теплопроводность, сопротивление в металлах,
сверхпроводимость и др., зависят от особенностей динамики решетки, т.е. спектра колебательных возбуждений, плотности колебательных состояний. Простейший способ теоретического исследования динамики решетки - применение эмпирических потенциалов межатомных взаимодействий. Эмпирические методы обладают существенным недостатком: отсутствием переносимости параметров потенциала при описании различных физических свойств. Развиваемые в последнее время расчеты из первых принципов, хотя и требуют значительных компьютерных вычислений, позволяют в рамках одного метода исследовать различные физические свойства, требуя при этом в качестве вводных данных лишь сведения об атомах из Периодической системы Менделеева. Одним из методов первопринципных вычислений является метод функционала плотности (DFT) в формулировке Хо- хенберга- Кон-Шема [10-14]. Уравнения Кон-Шема сводят многочастичную проблему взаимодействующих электронов к одночастичной задаче с эффективным потенциалом, включающим кинетические энергии невзаимодействующих электронов, электрон-электронные, электрон-ионные, ион-ионные и электронные обменно-корреляционные взаимодействия, зависящие от электронной плотности.
В диссертационной работе проводится исследование структурных, механических, колебательных и электронных свойств гексагональных модификаций алмаза и алмаза с примесями из первых принципов, используя метод функционала плотности в базисе плоских волн, градиентное приближение электронной плотности и ультрамягкие псевдопотенциалы, позволяющие определить самосогласованный потенциал, полную энергию, оптимизировать геометрическую конфигурацию системы и анализировать динамику решетки кристаллов.
Первопринципные вычисления проводятся в базисе плоских волн с использованием пакетов ABINIT и Quantum-Espresso в приближении DFT, псевдопотенциалов, локальных (LDA) и полулокальных (GGA) функционалов для обменно-корреляционных энергий электронов.
Цель диссертационной работы - теоретическое исследование структурных, механических и колебательных свойств наноразмерных пленок двумерно упорядоченного линейно-цепочечного углерода на металлической подложке.
Для решения поставленной цели были сформулированы следующие задачи диссертационной работы:
1 Вычисление структурных параметров, длин связей, упругих свойств и твердости, а также дисперсии фононов и плотности фононных состояний пленок линейно-цепочечного углерода на медной подложке.
2 Расчет интенсивности комбинационного рассеяния для ансамбля углеродных цепей в рамках простой и модифицированной структурной модели.
3 Совмещение экспериментального и расчетного спектров комбинационного рассеяния кристалла ДУ ЛЦУ, анализ применимости структурной модели для описания свойств реальных систем.
4 Анализ возможности аттестации линейно-цепочечных структур методом КРС.
Новизна диссертационной работы заключается в следующем:
• Впервые произведен расчет интенсивности линий КР - спектра ансамбля углеродных цепочек в соответствии с модифицированной структурной моделью пленки ЛЦУ.
• Подтверждено сильное взаимодействие цепочек ансамбля, приводящее к существенным изменяем характера КР - спектра пленки по сравнению с КР-спектром отдельной входящей в его состав цепочки.
Научная и практическая значимость диссертационной работы:
1 Разработана структурная модель ДУ ЛЦУ на металлической подложке, учитывающая присутствие атомов примеси в пространстве между углеродными цепями.
2 Проанализированы важные для развития технологии синтеза ДУ ЛЦУ эффекты влияния подложки и примесных атомов на свойства линейно-цепочечных углеродных структур.
3 Результаты расчетов интенсивности линий в спектре КРС могут быть использованы для экспресс-аттестации образцов ЛЦУ покрытий на медной подложке...
В настоящей работе теоретически и экспериментально исследованы спектры комбинационного рассеяния ЛЦУ с подложкой, и ЛЦУ с подложкой с примесями водорода, а также меди. Был рассмотрен расчет интенсивности комбинационного рассеяния для ансамбля углеродных цепей по простой структурной модели и рассчитан по модифицированной модели. Введение ансамбля доменов ЛЦУ со случайно распределенными структурными параметрами позволило моделировать экспериментальный спектр комбинационного рассеяния ЛЦУ с подложкой, и ЛЦУ с подложкой с примесями водорода, а также меди. Рассчитанные спектры отражают главную особенность экспериментальных: фононные моды, доминирующие в спектре одиночной цепочки (200-800 см-1, ~ 2000 см-1) и связанные с колебаниями линейного фрагмента, слабы, а связанные с изгибом колебания (1300-1600 см-1) являются наиболее заметными в ансамблевых спектрах. Таким образом, для структуры ЛЦУ подтверждено сильное кулоновское взаимодействие между изломанными углеродными цепями, что привело к существенной модификации спектров комбинационного рассеяния, по сравнению с эффектом единственной изломанной углеродной цепи.
Модельный анализ и подгонка экспериментальных данных показывают оценочное распределение длин прямых участков и углов излома, выявляя два основных вида цепей с 6 и атомами углерода, ЛЦУ с подложкой, и ЛЦУ с подложкой с примесями водорода, а также меди. Предложенный алгоритм подгонки можно использовать в качестве первого приближения для быстрой рамановской характеризации линейно-цепочечной структуры углерода.
В настоящей работе теоретически и экспериментально исследованы спектры комбинационного рассеяния линейно-цепочечного углерода:
1 Предложена модифицированная структурная модель ЛЦУ с примесями водорода и меди на медной подложке. Примесные атомы обеспечивают наличие изгибов углеродных цепей.
2 Медная подложка обеспечивает дополнительное взаимодействие между цепочками, что усиливает амплитуду их поперечных колебаний, приближает результаты расчета к экспериментальным данным.
3 Малое количество изгибов, а следовательно зр2-связей, по сравнению с объемным кристаллом, снижает интенсивность пика 1500 см-1 и излишне увеличивает максимумы в области 2000 см-1.
4 Присутствие водорода приводит к сдвигу линий в спектре КР в высокочастотную область. Примесь меди резко снижает интенсивность КР за счет гашения колебаний в области изгибов.
Модельный анализ и подгонка экспериментальных данных показывают оценочное распределение длин прямых участков и углов излома, выявляя два основных вида цепей с 6 и атомами углерода, ЛЦУ с подложкой, и ЛЦУ с подложкой с примесями водорода, а также меди. Предложенный алгоритм подгонки можно использовать в качестве первого приближения для быстрой рамановской характеризации линейно-цепочечной структуры углерода.
В настоящей работе теоретически и экспериментально исследованы спектры комбинационного рассеяния линейно-цепочечного углерода:
1 Предложена модифицированная структурная модель ЛЦУ с примесями водорода и меди на медной подложке. Примесные атомы обеспечивают наличие изгибов углеродных цепей.
2 Медная подложка обеспечивает дополнительное взаимодействие между цепочками, что усиливает амплитуду их поперечных колебаний, приближает результаты расчета к экспериментальным данным.
3 Малое количество изгибов, а следовательно зр2-связей, по сравнению с объемным кристаллом, снижает интенсивность пика 1500 см-1 и излишне увеличивает максимумы в области 2000 см-1.
4 Присутствие водорода приводит к сдвигу линий в спектре КР в высокочастотную область. Примесь меди резко снижает интенсивность КР за счет гашения колебаний в области изгибов.
МОДЕЛИРОВАНИЕ КОЛЕБАТЕЛЬНЫХ СВОЙСТВ ПЛЕНОК НАНОСТРУКТУРНОГО УГЛЕРОДА НА МЕТАЛЛИЧЕСКОЙ ПОДЛОЖКЕ
