Введение 3
1. Литературный обзор 5
1.1. Свойства объемных кристаллов дисульфидов циркония и гафния………...5
1.2. Получение монослоев и их свойства………………………………………..6
1.3. Свойства нанотрубок на основе дисульфидов циркония и гафния……… 7
2. Методическая часть 11
2.1. Методика квантовохимических расчетов ………………………………….. 11
3.Обсуждение результатов 12
3.1. Расчет свойств объемных кристаллов ……………………………………… 12
3.2. Структура и фононные спектры монослоев ………………………………. 13
3.3. Устойчивость нанотрубок на основе ZrS2 и HfS2 ………………………… 17
3.4. Частоты фононных колебаний и термодинамические свойства нанотрубок
4. Выводы 23
5. Благодарности 25
Список цитированной литературы 26
Приложение 28
Создание наноматериалов с необычными свойствами на основе углеродных нанотрубок и фуллеренов стимулировало проведение большого количества теоретических и экспериментальных работ по поиску и получению их возможных аналогов на основе иных соединений. Оказалось, что дихалькогениды переходных металлов хорошо подходят на эту роль, так как, подобно графиту, имеют слоистое строение с существенной анизотропией. Дисульфиды циркония и гафния являются перспективными материалами: они обладают уникальными электронными, механическими и оптическими свойствами, благодаря которым потенциально являются перспективными материалами в наноэлектронике и отпоэлектронных устройствах [1], также в фотокатализе[2].
К настоящему времени для дихалькогенидов переходных металлов выполнено много квантово-химических расчетов электронной структуры, устойчивости и других свойств монослоев и объемных кристаллов, однако нанотрубки на основе дисульфидов циркония и гафния остаются практически не изученными. В данной работе выполнены квантово-химические расчеты структуры и фононных частот монослоев и нанотрубок на основе указанных дисульфидов.
Целью данной дипломной работы является теоретическое моделирование фононных спектров и термодинамических характеристик монослоев и нанотрубок на основе дисульфидов циркония и гафния. Для ее достижения требовалось решить следующие задачи:
• Выбор атомного базиса для неэмпирических квантово-химических расчетов в приближении ЛКАО;
• Оптимизация структуры объемных кристаллов ZrS2 и HfS2 в выбранном базисе;
• Моделирование структур монослоев ZrS2 и HfS2;
• Расчет фононных частот и термодинамических характеристик для монослоев;
• Моделирование структуры нанотрубок на основе ZrS2 и HfS2;
• Расчет фононных частот и термодинамических характеристик для указанных нанотрубок.
Дипломная работа состоит из введения, литературного обзора, методической части, обсуждения результатов, выводов, списка цитируемой литературы и приложения. Литературный обзор содержит описание экспериментальных и теоретических исследований монослоев и нанотрубок. Результаты расчетов для объемных кристаллов и монослоев сравнивались с литературными данными (как экспериментальными, так и полученными другими авторами). В методической части изложен квантово-химический метод, использованный при моделировании нанотрубок.
• Отсутствие мнимых частот в точках симметрии зоны Бриллюэна говорит о локальной устойчивости исследованных монослоев, что согласуется с результатами экспериментальных данных и предшествующих теоретических исследований;
• Энергии сворачивания, впервые полученные для нанотрубок на основе HfS2, близки к таковым, рассчитанным ранее для ZrS2;
• Дисперсия фононов, впервые рассчитанная для нанотрубок на основе HfS2 и ZrS2, свидетельствуют о локальной устойчивости их структуры;
• Проведенный впервые анализ температурных зависимостей термодинамических функций, полученных в результате неэмпирических расчетов, указывает на заметные отклонения термодинамических свойств нанотрубок от свойств монослоя: для теплоемкости при низких температурах, а для энтропии, наоборот, при высоких температурах;
• Впервые показано, что термический вклад в избыточную по отношению к слою свободную энергию нанотрубок положителен и понижает их устойчивость с ростом температуры, особенно заметно при малых диаметрах нанотрубок.
