Электронная структура углеродных нанотрубок, карбина и металлических нанопроводов с точечными дефектами замещения

На правах рукописиКутлубаев Денис ЗуфаровичЭлектронная структура углеродныхнанотрубок, карбина и металлическихнанопроводов с точечными дефектамизамещения02.00.04 – Физическая химияАВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание ученой степеникандидата химических наукМосква – 2012Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетномучреждении науки Институте общей и неорганической химии им.Н. С. Курнакова Российской академии наук.Научный руководитель:доктор химических наук, профессор,Дьячков Павел НиколаевичОфициальные оппоненты:доктор химических наук, профессор,Маренкин Сергей Федорович,Институт общей и неорганиче­ской химии им. Н.С.КурнаковаРоссийской академии наукдоктор физико-математических наук,Николаев Александр Васильевич,Институт физической химии иэлектрохимии им А.Н.ФрумкинаРоссийской академии наукВедущая организация:Химический факультет МГУ име­ни М.В.ЛомоносоваЗащита диссертации состоится «13» ноября 2012 г.

в 11 часов назаседании диссертационного совета Д 002.021.02 при Институте об­щей и неорганической химии им. Н.С. Курнакова РАН по адресу:119991, ГСП-1, г. Москва, Ленинский проспект, д. 31.С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института об­щей и неорганической химии им. Н.С. Курнакова РАН. Авторефе­рат см. на сайте www.igic.ras.ru и на сайте ВАК.Автореферат разослан «12» октября 2012 г.Ученый секретарьдиссертационного советакандидат химических наук, доцентЛ.И.

ОчертяноваОбщая характеристика работыАктуальность работыРазвитие наноэлектроники невозможно без теоретических методов расче­та электронных свойств наноструктур. Благодаря строго определенной устой­чивой атомной структуре и уникальным электронным свойствам, особый ин­терес вызывают однослойные углеродные нанотрубки (ОУНТ). Известно мно­жество применений ОУНТ в наноэлектронике, а основанные на ОУНТ элек­тронные устройства считаются даже возможными кандидатами на заменукремния, как основного материала электроники будущего. Однако, несмотряна то, что углеродные нанотрубки известны совершенством своего строения,в них, конечно же, могут присутствовать дефекты атомного масштаба: при­меси, вакансии, топологические дефекты. Наличие дефектов в ОУНТ можетбыть полезным для достижения желаемой функциональности.

В частности,замена шестиугольников в углеродных нанотрубках на пяти- и семиуголь­ники приводит к изгибу нанотрубки и меняет электронный спектр, положе­ние уровня Ферми. Такая нанотрубка - это молекулярный гетеропереход ме­талл-полупроводник. Подобные нанотрубки могут использоваться для созда­ния выпрямляющих диодов. Один единственный структурный дефект можетрезким образом изменить электрические характеристики такого одномерногопроводника.

Поэтому знание того, как и в какой степени различные дефек­ты могут изменять электронные свойства ОУНТ важно, так как оно можетоткрыть путь к управляемой инженерии свойств нанотрубок и привести кпоявлению различных классов устройств со свойствами полностью контроли­руемыми за счет создания различных дефектов.Методы расчетов электронных свойств, разработанные для нанотрубок сдефектами, могут быть также использованы для расчёта электронных свойствкарбина и металлических нанопроводов с дефектами из-за схожести геометри­ческой структуры этих наноматериалов.

Линейные цепочки из атомов углеро­да длиной до 100 нм наблюдали и внутри нанотрубок, причем их присутствиесущественно влияет на электронные свойства нанотрубок. Нанопровода мо­гут быть использованы в ближайшем будущем для соединения мельчайшихкомпонент в экстремально маленькие цепи.В данной диссертации речь также пойдет о взаимодействии спина элек­тронов с их орбитальным движением в нанотрубке, которое в последние годы3привлекло большое внимание в исследованиях нанотрубок.

Было установле­но, что благодаря этому взаимодействию происходит расщепление энергетиче­ских уровней в нанотрубках, приводящее к появлению новых энергетическихуровней и щелей порядка 0.1-1 мэВ.Цель диссертационной работы состоит в разработке нового методарасчета электронной структуры дефектов в нанотрубках, карбине и металли­ческих нанопроводах, основанного на технике функций Грина и методе ли­нейных присоединенных цилиндрических волн (ЛПЦВ), а также в развитиирелятивистского метода ЛПЦВ для расчета эффектов, связанных со спин­орбитальным взаимодействием в нанотрубках.Для достижения поставленных целей были решены следующие задачи:1.

Была разработана теоретическая основа метода ЛПЦВ и функций Гри­на для цилиндрических наносистем с точечными дефектами.2. Написана компьютерная программа для вычисления электронной струк­туры дефектов в нанотрубках.3. Рассчитаны электронные структуры углеродных нанотрубок, карбинаи металлических нанопроводов с дефектами.4. Разработан релятивистский метод ЛПЦВ, позволяющий учесть СОвзаимодействие.5. Написана компьютерная программа для вычисления спин-орбиталь­ных щелей в нанотрубках методом ЛПЦВ и проведены соответствующие рас­четы нанотрубок типа «кресло».6.

Рассчитаны энергетические щели вблизи уровня Ферми металличе­ских нанотрубок, возникающие благодаря СО взаимодействию.Научная новизнаРазработан новый метод расчета электронной структуры дефектов в на­нотрубках, карбине и цилиндрических металлических нанопроводах, осно­ванный на технике функций Грина и методе ЛПЦВ. Впервые рассчитаныточечные дефекты замещения в нанотрубках, карбине и металлических на­нопроводах.

На основе линейного метода присоединенных цилиндрическихволн предложен неэмпирический способ расчета электронного строения на­нотрубок с учетом эффектов спин-орбитального взаимодействия. Впервые наоснове неэмпирических квантовомеханических расчетов определены энергииспин-орбитальных щелей на уровне Ферми металлических нанотрубок.4Практическая значимостьРезультаты, изложенные в диссертации, использованы для предсказанияэлектронной структуры точечных дефектов замещения в нанотрубках, кар­бине и металлических нанопроводах, а также для предсказаний с учетом спин­орбитального взаимодействия.На защиту выносятся следующие основные результаты и поло­жения:1.

Метод функций Грина и ЛПЦВ.2. Результаты расчетов точечных дефектов в нанотрубках, карбине иметаллических нанопроводах.3. Релятивистский метод ЛПЦВ, учетывающий эффекты спин-орбиталь­ного взаимодействия.4. Результаты расчетов спин-орбитальных щелей на уровне Ферми ме­таллических нанотрубок.Апробация работыОсновные результаты диссертации докладывались на следующих меж­дународных конференциях:1. 3-я Всероссийская научно-практической конференция с международ­ным участием "Нанотехнологии и наноматериалы: современное состояние иперспективы развития в условиях Волгоградской области"(22 - 23 декабря2010 г. в Волгоградском государственном университете)2. Интернет-конференция "Современные направления теоретических иприкладных исследований ’2011"(15 - 28 марта на сайте http://www.sworld.com.ua/)3.

Конференция International Conference Nanomeeting 2011 (24 - 27 мая2011 г. в г.Минск, Беларусь)Работа выполнена в рамках государственного контракта №16.513.11.3051в рамках ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлени­ям развития научно-технического комплекса России на 2007 - 2013 годы »и поддержана Российским фондом фундаментальных исследований (грант11-03-00691).Публикации.Материалы диссертации опубликованы в 5 печатных работах, из них 3статьи в рецензируемых журналах, 2 статьи в сборниках трудов конферен­ций.5Личный вклад автора1.

Разработка теории метода функций Грина и линеаризованных присо­единенных цилиндрических волн для цилиндрических неорганических нано­проводов и нанотрубок с точечными дефектами.2. Разработка, написание и тестирование программы для расчета элек­тронной структуры точечных дефектов в нанотрубках и нанопроводах наязыке Fortran.3. Применение разработанной программы для расчета точечных дефек­тов в нанотрубках, карбине и цилиндрических металлических нанопроводах.4. Разработка релятивистского метода ЛПЦВ, позволяющего учесть СОвзаимодействие.5. Разработка, написание и тестирование программы для расчета спин­орбитальных щелей на уровне Ферми металлических нанотрубок на языкеFortran.6.

Применение разработанной программы для расчета спин-орбитальныхщелей на уровне Ферми металлических нанотрубок.Диссертация соответствует паспорту специальности 02.00.04 - физиче­ская химия по п.1 "Экспериментальное определение и расчет параметровстроения молекул и пространственной структуры веществ".Структура и объем диссертацииДиссертация состоит из введения, обзора литературы, 4 глав, заключе­ния и библиографии. Общий объем диссертации 107 страниц, из них 95 стра­ниц текста, включая 30 рисунков.