Особенности атомной и электронной структуры различных форм sp-углерода с учётом влияния примесей водорода, фтора и кислорода (1104318), страница 4
Текст из файла (страница 4)
Расчёты показали,что в результате ионной релаксации углеродные цепочки в составе кристаллическойсверхрешетки карбина дугообразно искривляются, что приводит к искажению решетки,предложенной в экспериментальной модели структуры карбина (см. Рис.8).Рисунок 8. Типичный вид структуры кристалла карбина после ионнойрелаксации а) проекция 000l; b) вид сбоку (п - полиин, к - кумулен)Кроме того, полученные результаты свидетельствуют о том, что в разныхподрешетках кристалла карбина атомы углерода в цепочках имеют разный тип связи: вподрешетке I – кумуленовый (цепочки искривлены, длина связи углерод-углеродсоставляет 1.29Å), а в подрешетке II – полииновый (цепочки не искривлены, длинысвязей между атомами углерода чередуются по 1.21Å и 1.39Å).
Расчёт показал, что17наиболее вероятная длина углеродных цепочек в подрешётках в кристалле карбинасоставляет 4 и 6 атомов углерода. Исследована электронная структура кристаллакарбина для случая четырёхатомных и шестиатомных цепочек в подрешётках ипоказано, что в случае четырёхатомного карбина наблюдается узкая запрещённая зона(0.09эВ), в то время как в шестиатомном карбине она отсутствует (см. Рис.9).25a)ПС, сост/эВ20ПС, сост/эВ0,94C6C151050-4-3-2-101230,60,30,0-44b)4C6C-3-2-101234Энергия, эВЭнергия, эВРисунок 9. Электронная структура кристалла карбина с четырёхатомными ишестиатомными цепочками в подрешётках относительно уровня Ферми: а) полнаяплотность состояний; b) парциальная плотность электронных состояний атомауглерода в середине цепочки в подрешётке IИсследование парциальных плотностей состояний атомов углерода в серединахцепочек и на изгибах в обеих подрешётках показало, что в подрешётке I плотностьсостояний вблизи уровня Ферми реализуется за счёт состояний атомов углерода всередине подрешётки I.
Анализ парциальных плотностей состояний в обоих случаяхпоказал, что в области энергий ниже -9.72эВ основной вклад в полную плотностьсостояний вносят s-состояния, а выше -8.95эВ (и в области энергии Ферми) – pсостояния, в основном px и py. На основании этих результатов можно предположить,что вблизи энергии Ферми электронная проводимость будет реализовываться за счётперекрытия px- и py-орбиталей, т.е. вероятно будет идти по сшивкам междууглеродными цепочками, а именно в местах стыков подрешёток.Исследование влияния примеси водорода на атомную структуру кристаллов карбинапоказало, что структура кристалла карбина с примесью водорода зависит от того, какоеположение займёт атом водорода в процессе абсорбции по отношению к углероднойцепочке: если атом водорода присоединяется сбоку от углеродных цепочек в кристаллекарбина, кристалл сохраняет свою атомную структуру при малых концентрацияхводорода (см. Рис.10).18Рисунок 10. Вид структуры кристалла карбина, легированного водородом (атомыводорода показаны белым цветом) a) на стыке сверхрешеток – атомы водородаприсоединены сбоку от цепочек; b) на стыке сверхрешеток - атомы водородаприсоединены к концам центральных цепочек шестиугольника в подрешетке IПри увеличении концентрации атомов примеси происходит изменение типов связеймежду атомами углерода в цепочках, но структура кристалла в целом не изменяется.Однако если атом водорода присоединяется на конец цепочки в составе кристалла, то вкристалле происходит выпрямление изогнутой цепочки в подрешётке I и искажениеструктуры кристалла (см.
Рис.10b). Получено, что случаи, когда из-за легированияводородом происходит искажение структуры кристалла карбина за счёт выпрямленияцентральной цепочки подрешётки I и когда при легировании водородом структуракристалла карбина не искажается, близки по энергии (разница в энергиях абсорбциисоставляет 0.02эВ). Получено, что массовая доля водорода без искажения атомнойструктуры кристалла может составлять 1.66%.Анализ электронной структуры кристаллов карбина с примесью водородапоказал, что в малых концентрациях присутствие примеси повышает число состоянийвблизи уровня Ферми.
Однако повышение концентрации водорода приводит кобразованию небольшой запрещённой зоны вблизи уровня Ферми (0.21эВ), что,связано с изменением типов связей между атомами углерода в цепочках, а такжесильным взаимодействием между водородом и углеродом.Таким образом, изменяя концентрацию примеси водорода в кристалле карбинаможно влиять на его проводимость, что может также представлять интерес длянаноэлектроники.В Заключении представлены основные выводы работы.1. Расчёт атомной и электронной структуры систем линейно-цепочечного углеродаметодом теории функционала электронной плотности показал, что возможны двамеханизма для объяснения наблюдаемого эффекта изгиба углеродных цепочек: а)19за счёт адсорбции двух атомов водорода на соседние атомы углерода в углероднойцепочке; б) за счёт сшивки коротких углеродных цепочек с присоединёнными наконцах атомами водорода.Предложена уточнённая модель атомной структуры ориентированных углеродныхплёнок.
Исследования электронной структуры плёнок в рамках новой моделипоказали наличие запрещённой зоны вблизи энергии Ферми (0.43эВ), величинакоторой согласуется с экспериментально наблюдаемой.2. На основе исследования распределения электронной плотности вдоль изогнутыхуглеродных цепочек в ориентированных плёнках линейно-цепочечного углеродапредложено объяснение экспериментально наблюдаемого аномально высокогорасстояния между углеродными цепочками в плёнках (5Å), основанное наконкуренции атомного притяжения между атомами углерода в соседних цепочкахи отталкиванием между областями изгиба, вызванным перераспределениемэлектрического заряда в изогнутых цепочках.3. Показано, что формирование изгибов углеродных цепочек возможно за счётадсорбции атомов фтора и кислорода по аналогии с атомами водорода.Предсказана возможность существования углеродных плёнок, в которых в качествестабилизирующей примеси будут атомы фтора и кислорода.
Показано, чтонезависимо от типа стабилизирующей примеси в изогнутой углеродной цепочке ив плёнке в спектре электронной плотности состояний вблизи энергии Фермиприсутствует запрещённая зона (0.56эВ для случая водорода, 0.59эВ для случаяфтора и 1.04эВ для случая кислорода), причём в случае плёнокшириназапрещённой зоны меньше, чем в случае отдельных цепочек для соответствующеготипа примеси (в случае примеси водорода – 0.43эВ, фтора – 0.25эВ, кислорода –0.94эВ).4. Исследования атомной и электронной структуры кристалла карбина показали, чтоналичие узкой запрещённой зоны в районе энергии Фермизависит от длиныцепочек в составе чистого кристалла: она присутствует в карбине с цепочками почетыре атома углерода (0.09эВ) и пропадает при увеличении длины цепочек до 6атомов углерода.205.
Получено, что сохранение или искажение структуры кристалла карбина прилегировании водородом зависит от позиции абсорбции атома примеси. Если атомводорода абсорбируется сбоку от углеродных цепочек, образующих элементарнуюячейку кристалла, атомная структура карбина сохраняется. При абсорбции толькона конец углеродных цепочек внутри элементарной ячейки кристалла происходитискажение атомной структуры кристалла.Примесь водорода в кристалле карбина в малых концентрациях приводит кповышению числа электронных состояний вблизи уровня Ферми, однако приповышении концентрации атомов водорода образуется запрещённая зона.
Такимобразом, изменяя концентрацию примеси можно влиять на проводящие свойствакристалла.21СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ1.Коробова Ю.Г., Цысарь К.М., Бажанов Д.И., Гусева М.Б., Хвостов В.В.Экспериментальное и теоретическое исследование структуры нового углеродногонаноматериала –двумерноупорядоченного линейно-цепочечного углерода // тезисыдокладов Международной конференции “Carbon Nanomaterials In Clean-Energy HydrogenSystems” (CNCEHS’2010), Ялта, 2010, стр. 482. Коробова Ю.Г.
Исследование из первых принципов атомной и электронной структурыориентированных плёнок линейно-цепочечного углерода // Тезисы докладовМеждународной научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых«Ломоносов – 2012», секция физика, физический факультет МГУ, 2012, стр. 341-3433. Коробова Ю.Г., Бажанов Д.И. Ab initio исследование формирования структурныхизгибов углеродных цепочек // Тезисы докладов XLII международной Тулиновскойконференции по физике взаимодействия заряженных частиц с кристаллами (Москва 29мая – 31 мая 2012 ), стр.1014.
Коробова Ю.Г., Бажанов Д.И. Влияние водорода на формирование атомной структурылинейно-цепочечного углерода: первопринципный подход // Письма в ЖЭТФ, 2011, том93, вып. 11, стр. 730-7355. Korobova J. G., Guseva M. B., Bazhanov D. I., Khvostov V.V. The Structural Properties ofthe sp1-Carbon Based Materials: Linear Carbon Chains, Carbyne Crystals and a New CarbonMaterial – Two Dimentional Ordered Linear-Chain Carbon, Carbon Nanomaterials In CleanEnergy Hydrogen Systems – II, NATO Science for Peace and Security Series C: EnvironmentalSecurity, 2011, Volume 2, 469-4856. Коробова Ю.Г., Бажанов Д.И. Ab initio исследование структуры ориентированныхплёнок линейно-цепочечного углерода // Письма в ЖЭТФ, 2012, том 95, вып.
9, стр.5245297. Коробова Ю.Г., Бажанов Д.И. Ab initio исследование формирования структурныхизгибов углеродных цепочек// Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронныеисследования, 2013, № 4, стр. 1-68. Коробова Ю.Г., Бажанов Д.И., Хвостов В.В., Гусева М.Б. Влияние примеси водорода наатомную и электронную структуру кристаллической модификации карбина // ВестникМГУ, серия 3. Физика и Астрономия, 2013, № 1, стр. 36-4322.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
