Тема: Влияние адатомов на электронную структуру углеродной нанотрубки (8,0): неэмпирическое моделирование

В настоящее время большой интерес исследователей к изучению одностенных углеродных нанотрубок (ОСУНТ) обусловлен их уникальными механическими, электрическими и структурными свойствами. От геометрической структуры ОСУНТ зависят их электронные свойства, однако, получение нанотрубок, обладающих определённой геометрией, является серьезной проблемой на пути реализации производства данных изделий. Управление характером проводимости ОСУНТ могло бы обеспечить производство различных устройств наноэлектроники, основанных на ОСУНТ. Проблема заключается в том, что на сегодняшний день не существует эффективных способов получения нанотрубок с определённой геометрией или их отделения от общей массы [1].
Целенаправленное изменение свойств углеродных нанотрубок возможно благодаря допированию поверхности нанотрубок атомами других химических элементов [2]. Электронные свойства одностенных углеродных нанотрубок могут быть заметно изменены присутствием адсорбированных атомов. Это имеет важные последствия для их применения в устройствах, основанных на ОСУНТ [3]. Кроме того, при допировании значительно повышается химическая реакционная способность нанотрубок, что делает их уникальными для обнаружения газов, поддержки катализа и адсорбции молекул белка [4], также ОСУНТ могут использоваться в датчиках глюкозы, размещённых внутри организма человека [5].
Изучение адсорбции атомов на поверхности нанотрубок имеет большое значение для достижения омических контактов низкого сопротивления, для получения нанопроволоки с контролируемым размером и электрическими свойствами, а также для производства функциональных наноустройств. Более обширное допирование посторонними атомами может привести к созданию таких наноструктур, как наномагниты, магнитные домены нанометрового
размера, одномерные проводники и тонкие металлические соединения, электронные устройства для спинтроники и хранения данных с высокой плотностью [6].
Э. Дургуном с соавторами было обнаружено, что вокруг полупроводниковых ОСУНТ могут образовываться устойчивые кольца из атомов Al [7]. В этих центрах могут индуцироваться либо постоянные токи, проходящие через эти проводящие нанокольца, либо наоборот, очень сильные магнитные поля. Ожидается, что из этих металлических наноструктур, образованных адсорбцией адатомов на ОСУНТ могут производится новые молекулярные наномагниты и электромагнитные устройства [7]. Полупроводниковые сенсорные устройства ОСУНТ способны обнаруживать такие молекулы, как NO2, NH3 и O2 [7]. Благодаря способности этих молекул адсорбироваться на поверхности нанотрубки, происходят хорошо отслеживаемые изменения проводимости [7].
Существует проблема, когда молекулы не связываются с поверхностью ОСУНТ. Это являются следствием ван-дер-ваальсовых взаимодействий между поверхностью трубки и молекулами, приводящей к физической адсорбции. Однако молекулы газов могут быть обнаружены, благодаря их связи с поверхностью трубки через атом примеси из-за изменения локальной химической реактивности. Важность настоящего предложения заключается также в том, что наноразмерные датчики могут стать одним из первых крупных коммерческих приложений нанотехнологий, и, в частности, в сфере обнаружения молекул CO, которая имеет большое значение для контроля и мониторинга окружающей среды [8].
В рамках разработки технологии топливных элементов следующего поколения проводятся масштабные исследований по адсорбции водорода на углеродных нанотрубках. Водород был признан перспективным источником чистой и возобновляемой энергии. Поскольку газообразный водород
бесцветен, не имеет запаха и легко воспламеняется, технологии на основе водорода требуют особого внимания к безопасности. В связи с этим крайне необходимы недорогие, компактные, химически инертные и высокочувствительные датчики водорода при комнатной температуре. Хотя датчики на основе оксида металла способны обнаруживать очень низкую концентрацию газа, их высокая рабочая температура (выше 300 oC) ограничивает их применение для обнаружения водорода. Доказано, что ОСУНТ уменьшают рабочую температуру обычных металлооксидных газовых сенсоров [9].
К сожалению, взаимодействие С-Н является слишком слабым при комнатной температуре и давлениях. Оказалось, чистые ОСУНТ не могут хранить более 1 мас.% водорода при этих условиях. Как экспериментальные, так и теоретические исследования показали, что углеродные нанотрубки становятся более эффективными для адсорбции водорода в условиях окружающей среды, когда они легированы атомами переходного металла [10].
За относительно более высокие энергии связи, которые демонстрируют интересную вариацию с числом заполненных d-состояний, ответственны d- орбитали атомов переходного металла, следовательно, адсорбция поверхности нанотрубки атомами металла может увеличить эффективность адсорбции различных химических элементов [7].
Идеальные материалы для хранения водорода должны обладать следующими характеристиками: высокая гравиметрическая ёмкость (больше 6,0 мас.%) при плотности 45 г/л; способность к адсорбции и десорбции в условиях окружающей среды, что требует энергии связи в диапазоне 0,2 - 0,6 эВ на молекулу водорода; обратимое высвобождение водорода [11].
Углеродные нанотрубки имеют высокую гравиметрическую емкость из- за их малого веса. Однако идеальные углеродные нанотрубки связывают молекулы водорода слабым Ван-дер-Ваальсовым взаимодействием с
энергией связи не более 0,11 эВ, что недостаточно для удержания молекул водорода при комнатной температуре. Также, для условий окружающей среды желательна энергия адсорбционной связи в диапазоне 0,20 - 0,60 эВ на молекулу водорода. Кроме того, Министерство энергетики США объявило требование гравиметрической емкости в 5,5 мас.% для реализации топливных элементов в автомобилях [12].
Современное состояние техники зашло в тупик в предоставлении любого материала, который соответствует емкости хранения 6 мас.%. Однако, Т. Йилдиримом с соавторами было обнаружено, что один атом Ti, адсорбированный на ОСУНТ, может сильно связывать до четырех молекул водорода [13]. При большом количестве Ti (8,0) ОСУНТ может хранить молекулы водорода до 8 мас.%, превышая минимальное требование в 6 мас.% [13].
Следует отметить, что в случае малых молекул, таких как H2, O2 и H2O можно ожидать, что влияние диаметра нанотрубки будет незначительным. Кроме того, использование моделей ОСУНТ малого диаметра (например, (8,0) ОСУНТ) может снизить вычислительные затраты и объём пространства, необходимого для их размещения [14]. Таким образом изучение влияния адатомов на электронную структуру углеродных нанотрубок является актуальным.
Цель работы: определить влияние адсорбции адатомов на электронную структуру углеродной нанотрубки (8,0).
Для достижения поставленной цели необходимо решение следующих задач:
1) Создать модель идеальной ОСУНТ.
2) Создать модель допированной ОСУНТ.
3) Провести анализ геометрии ОСУНТ после допирования.
4) Провести анализ электронной структуры ОСУНТ.

Купить

В ходе исследования были воспроизведены модели идеальной и допированной ОСУНТ, на основе которых проведён анализ влияния адсорбции атомов металлов на геометрию нанотрубки, а также на её электронные свойства. В результате исследования установлено, что атомы, адсорбировавшиеся на поверхности ОСУНТ (8,0), способны влиять на электронную структуру нанотрубки, уменьшая запрещённую зону. Также определено влияние на плотность электронных состояний системы, в результате которого для преобладающего большинства случаев адсорбции наблюдалось уменьшение энергии перехода. В исследовании установлено изменение геометрии поперечного сечения нанотрубки на более овальную, а также её особенности для адсорбции на позициях A, H и T. Определена зависимость энергии адсорбции для каждой позиции от адсорбирующегся атома для: Al, Ni, Ti, Cr, Ru, Pt. Кроме того, получившиеся значения достаточны для адсорбции атомов водорода.
Купить