На правах рукописи

Терентьев Олег Анатольевич

АТОМНАЯ СТРУКТУРА И ЭМИССИОННАЯ СПОСОБНОСТЬ

НЕРЕГУЛЯРНЫХ УГЛЕРОДНЫХ ТУБУЛЯРНЫХ НАНОКЛАСТЕРОВ

01.04.04 – физическая электроника

05.27.01 – твердотельная электроника, радиоэлектронные компоненты,

микро- и наноэлектроника на квантовых эффектах

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Саратов 2007 2

Работа выполнена на кафедре прикладной кафедры и кафедре радиотехники и электродинамики Саратовского государственного университета им. Н.Г.Чернышевского

Научный руководитель: кандидат физико-математических наук, доцент Глухова Ольга Евгеньевна

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук, профессор Запороцкова Ирина Владимировна доктор технических наук Волков Юрий Петрович

Ведущая организация: Саратовский филиал института радиотехники и электроники РАН, г. Саратов

Защита диссертации состоится 24 мая 2007 г. в 17 часов 30 минут на заседании диссертационного совета Д 212.243. при Саратовском государственном университете им. Н.Г. Чернышевского по адресу: 410012, г. Саратов, ул. Астраханская, 83.

С диссертацией можно ознакомиться в Зональной научной библиотеке Саратовского государственного университета им. Н.Г. Чернышевского Автореферат разослан 20 апреля 2007 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Аникин В.М.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Объектом исследования в диссертационной работе являются молекулярные цилиндрические поверхности (плотно упакованные атомными углеродными гексагонами), или короткие трубки, насчитывающие от нескольких десятков до нескольких сотен атомов. Подобные структуры по своей сути являются тубулярными нанокластерами. Эти тубулярные нанокластеры могут быть нерегулярными структурами из-за, например, краевых эффектов, возможных локальных дефектов в каркасе, деформации каркаса, а также изменения конфигурации атомного остова вдоль оси.

Выбор объекта исследования обусловлен широким применением таких структур в различных областях физики и техники, например, в качестве тончайших проводников электрического тока и автоэмиттеров, основы базового блока макроячейки с элементами памяти, гибких зондов в микроскопии, нановибраторов и др.

Вопросам изучения физических и химических свойств углеродных наноструктур, разработке математических моделей и их обоснованию, разработке методов исследования этих структур посвящены фундаментальные работы отечественных (Ю.В. Гуляев, О.Е. Глухова, П.Н. Дьячков, А.В. Елецкий, А.И. Жбанов, И.В. Запороцкова, З.Я. Косаковская, Т.Л. Макарова, Н.И. Синицын, Ф.Н. Томилин, Г.В. Торгашев, Л.А. Чернозатонский и др.) и зарубежных (P. Ajayan, M.S. Dresselhaus, P. Harris, S. Iijima, H.W. Kroto, F.J. Owens, C.P. Poole (Jr), R.S. Ruoff, Y. Saito, N. Sano, D. Tomanek и др.) авторов.

Характерной особенностью изучаемого объекта, помимо уже отмеченной нерегулярности, является его непериодичность, что с необходимостью требует расчета атомного каркаса по нескольким линейным параметрам. Другими словами, нерегулярность и непериодичность тубулярных нанокластеров предполагает наличие математической модели, учитывающей краевые эффекты и деформации остова. Причинами последних могут быть внутренние перемычки (бамбукоподобная структура), изомеризация с поворотом С-С связи на 90о (изомеризация Стоуна-Велса, или SW-дефект), элиминирование двух атомов (2V-дефект) или допирование несколькими атомами углерода (“ad-dimer”-дефект), замещение атомов углерода атомами азота (N-дефект) или других химических элементов.

Сформированные к настоящему времени методы расчета атомной и электронной структур и соответствующие им математические модели условно можно разбить на две группы. Методы первой группы эффективны для исследования нерегулярных, но периодических наноструктур (квазиодномерных кристаллов). К ним можно отнести, например, метод линейной комбинации атомных орбиталей и метод линейных присоединенных плоских волн, использующие континуальную модель структуры. При этом структура полимера воспроизводится трансляцией минимального фрагмента (элементарной ячейки), а влияние концевых эффектов исключается циклическими граничными условиями Борна-Кармана.

Другая группа методов (и математических моделей), основанная на теории групп точечной симметрии, молекулярно-динамических и квантово-химических моделях, допускают изучение нерегулярных непериодических нанообъектов. Несмотря на кажущуюся универсальность, методы этой группы из-за требуемых высоких затрат ресурсов компьютера, применяются, как правило, для изучения малоатомных кластеров. В связи с этим научный интерес представляет разработка "универсального" метода и эффективного программно-математического обеспечения, не требующего значительных затрат машинного времени для изучения атомной и электронной структур, свойств нерегулярных тубулярных нанокластеров (НТН) и физических явлений в них.

Акцент в диссертационной работе ставится на изучение эмиссионной способности и упругости НТН в силу практической важности именно этих свойств нанокластеров в электронных приборах. Известно, что в электрическом поле нанотрубки-автоэмиттеры могут растягиваться под действием пондеромоторной силы, что приводит к возрастанию коэффициента усиления поля на эмитирующих центрах и, как следствие, к увеличению плотности эмиссионного тока.

Таким образом, выбор объекта и направления исследований являются своевременными и актуальными, что и предопределило цель и задачи диссертации.

Целью диссертационной работы является исследование атомного и электронного строения углеродных нерегулярных тубулярных нанокластеров и физических явлений в них на математических моделях.

Достижение цели может быть реализовано решением следующих задач:

разработка способа вычисления координат атомов моделей НТН различных конфигураций;

разработка методики расчета электронной структуры НТН;

разработка вычислительной программы расчета атомной и электронной структур, эмиссионной характеристики (ионизационного потенциала) и параметров упругости (модуля Юнга и модуля кручения) НТН;

исследование влияния дефектов каркаса на электронное строение, эмиссионную способность и механические свойства НТН.

Методы исследования Основу исследований составили математический аппарат квантовой химии и компьютерное моделирование.

Научная новизна результатов работы заключается в следующем:

1. Метод сильной связи адаптирован для расчета атомной и электронной структур C-N нерегулярных тубулярных нанокластеров.

2. Впервые установлена зависимость параметров упругости (модулей Юнга и кручения) от размеров (длины и диаметра) и строения НТН. Установлено, что большей упругостью отличаются кластеры длиной более 2,5 нм и диаметром ~ 1 нм [1,2,8,10-12,14,16].

3. Установлено, что с увеличением длины путем наращивания остова нанокластеров кольцами из гексагонов наблюдается монотонное убывание потенциала ионизации в НТН со структурой каркаса типа armchair. В случае увеличения длины путем наращивания остова нитями из атомов углерода наблюдаются затухающие осцилляции. Потенциал ионизации НТН со структурой каркаса типа zigzag монотонно убывает с увеличением длины независимо от способа наращивания остова [3,7,13].

4. Впервые количественно оценено влияние дефектов каркаса на электронную структуру, эмиссионную способность и упругость НТН [4,5,9].

5. Впервые показана высокая механическая прочность бамбукоподобных тубулярных нанокластеров на модели нанотрубных кластеров с внутренними перемычками [6].

6. Установлено влияние замещения атомов углерода атомами азота на ионизационный потенциал и параметры упругости: модуль Юнга снижается с появлением атомов азота, потенциал ионизации практически не меняется.

7. Показано, что наносистема C60(тубелен)@C450, образованная одностенной трубкой C450 и инкапсулированным тубеленом C60, стабильна и может служить основой для создания наногироскопа или элемента памяти.

Достоверность полученных результатов обусловлена адекватностью математической модели нанокластеров физическим процессам, сравнением (где это было возможно) и удовлетворительным совпадением полученных результатов с опубликованными (в том числе – экспериментальными) в отечественной и зарубежной печати, результатами решения контрольных задач.

На защиту выносятся следующие положения и результаты:

1. Эмиссионная способность нерегулярных тубулярных нанокластеров с каркасом типа zigzag практически не зависит от наличия (отсутствия) дефектов типа SW, 2V, "ad-dimer".

2. Существует такое значение отношения диаметра к длине, или "точка насыщения", начиная с которого прекращается увеличение модуля Юнга с ростом линейных размеров (длины и/или диаметра) нерегулярных тубулярных нанокластеров со структурой каркаса zigzag и armchair.

3. Разработанные трехпараметрический метод генерации координат атомов каркаса по трем линейным параметрам и его программноматематическая реализация позволяют рассчитывать атомную и электронную структуры, потенциал ионизации и модули упругости бездефектных нерегулярных тубулярных нанокластеров с погрешностью не более 2%.

Научно-практическая значимость результатов 1. Результаты исследования зависимости потенциала ионизации НТН со структурой типа zigzag и armchair от линейных размеров каркаса позволяют в качестве автоэмиттеров рекомендовать трубки длиной более 2. Наличие точки насыщения предопределяет условия создания тубулярных нанокластеров большой прочности: наибольшей упругостью будут характеризоваться трубки длиной более 2,5 нм и диаметром ~1 нм [1].

3. Разработанные и апробированные методики расчета атомной и электронной структур, параметров упругости и характеристики эмиссионной способности НТН могут служить базой для обоснованного научного прогнозирования свойств как коротких тубулярных наноструктур с появлением дефектов, так и протяженных (под условием циклических граничных условий Борна-Кармана).

Апробация работы и публикации. Основные результаты диссертации докладывались и обсуждались на 6 российских и международных конференциях:

Российская школа-конференция молодых ученых и преподавателей «Биосовместимые наноструктурные материалы и покрытия медицинского назначения», Белгород, 25 сентября - 1 октября 2006 г.;

«Saratov Fall Meeting – SFM’06» X International School for Young Scientists and Students on Optics, Laser Physics & Biophysics, September 26 – 29, 2006, Saratov, Russia;

Четвертая межрегиональная молодежная научная школа «Материалы нано-, микро- и оптоэлектроники: физические свойства и применение», Саранск, 5 - 7 октября 2005 г.;

«Saratov Fall Meeting – SFM’05» IX International School for Young Scientists and Students on Optics, Laser Physics & Biophysics, September 27 – 30, 2005, Saratov, Russia;

Научная школа-конференция «Нелинейные дни в Саратове для молодых - 2005»;

«Saratov Fall Meeting–SFM’04» IIX International School for Young Scientists and Students on Optics, Laser Physics & Biophysics, 2004, Saratov, Russia;

и представлены в 16 печатных работах, 3 из которых – в изданиях, включенных в перечень рекомендуемых ВАК РФ.

Личный вклад автора состоит в развитии (адаптации) метода сильной связи для расчета атомной и электронной структур С-N нанокластеров, в разработке алгоритма расчета атомной структуры нанокластеров, создании пакета вычислительных программ; автор также принимал участие в обсуждении и интерпретации полученных результатов.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и списка цитируемой литературы. Общий объем диссертации составляет 151 страницу, включая 46 рисунков, 26 таблиц, список литературы из 121 наименования и приложение.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность выбора объекта и направления исследований, сформулированы цель и задачи, а также содержатся научная новизна и основные положения, выносимые на защиту. Приводится краткое содержание каждой из глав.

В первой главе "Методы расчета конфигурации углеродных нерегулярных тубулярных нанокластеров" изложены метод вычисления координат атомов моделей нанотрубных кластеров различных конфигураций и форм, методика расчета электронной структуры нерегулярных тубулярных нанокластеров и обоснованы вычислительные алгоритмы.

Разработанный трехпараметрический метод генерации координат атомов (построения каркаса) моделей тубулярных нанокластеров в своей основе предполагает, что цилиндрическая поверхность тубулярного нанокластера (zigzag или armchair) является ячеистой сеткой из одинаковых гексагонов, задаваемых тремя параметрами: одним из ребер (H2) шестиугольника, а также большей (H1) и меньшей (H3) диагоналями гексагона. Диаметр остова определяется числами киральности (m,n), а его длина – числом гексагонов вдоль оси остова (см. рис. 1).

Рис. 1. Атомный остов модели трубки, построенный трехпараметрическим методом, и регибридизация - и -электронов: а) zigzag; б) armchair Трехпараметрический метод реализован в пакете вычислительных программ RING. Для расширения его функциональных возможностей предусмотрены также вычисление координат с помощью теории групп точечной симметрии и расчет электронной структуры методом сильной связи. В пакете формируется гамильтониан и вычисляются его собственные значения методом Хаусхолдера, рассчитывается полная энергия кластера, оптимизируется атомная структура минимизацией полной энергии системы по линейным параметрам каркаса. Предусмотрена также возможность модификации структуры путем растяжения (сжатия), изгиба и кручения.

Трехпараметрическим методом решены контрольные задачи расчета атомной и электронной структур НТН со строением каркаса типов zigzag и armchair. Проведено сравнение рассчитанных численных значений диаметров, углов пирамидализации, длин связей, потенциалов ионизации, энергии приходящейся на атом (Eат), с аналогичными, вычисленными с применением теории групп точечной симметрии. Результаты сопоставления теоретических расчетов приведены на рис. 2 и в таблице 1, в которых идентификатор 1 соответствует трехпараметрическому методу, 2 – теории групп точечной симметрии.

Рис. 2. Зависимость Eат от количества атомов в кластере Дополнительно к этому данные теоретических расчетов диаметра нанокластера обоими методами сравнивались с экспериментальными. Последние в известной нам литературе (N. Sano 2002) приведены для нанокластера С64 (4,0). Расхождение не превысило 1,5 %: экспериментальное значение диаметра – 0,33 нм, а расчетное – 0,334 нм. Однако, напомним, что затраты машинного времени трехпараметрического метода оказались незначительными. Все это позволяет утверждать, что погрешность расчета каркаса структуры и энергии приходящейся на атом, по трем линейным параметрам, не превышает 2%. Преимущество трехпараметрического метода при изучении параметров упругости нанокластеров обсуждается в третьей главе.

Основным модулем пакета вычислительных программ RING является блок расчета электронного спектра, потенциала ионизации, полной энергии нанокластера, энергии Ван-дер-ваальсового взаимодействия, а также геометрических параметров каркаса, соответствующих основному состоянию, и исходных данных для вычисления параметров упругости и других.

Основу вычислительных процедур составляет модифицированный метод сильной связи (L. Goodwin 1991) расчета полной энергии Е кластера:

где Ebond – энергия заполненных электронных уровней, Erep – феноменологическая энергия, учитывающая межэлектронное и межъядерное взаимодействия.

Энергия заполненных уровней определяется, как обычно, формулой где n – энергия заполненного состояния с номером n, являющаяся собственным значением гамильтониана (число "2" учитывает спин электрона).

Набор собственных значений гамильтониана образует электронный спектр.

Недиагональные матричные элементы гамильтониана определяются:

где r – расстояние между атомами; i, j – орбитальные моменты волновых функций; – индекс, указывающий тип связи ( или ).

Феноменологическая энергия представляется суммой парных отталкивательных потенциалов где i, j – номера взаимодействующих атомов; ri, rj – декартовы координаты.

Функция Vrep определяется выражением Применяемые значения атомных термов s, p, равновесных интегралов перекрытия Vss, Vsp, Vpp, Vpp и параметры pn (будем в дальнейшем эту группу называть характеристическими параметрами) для углеродных нанокластеров заимствованы из работ О.Е. Глуховой и А.И. Жбанова.

Проведено исследование физической стабильности НТН по величине энергии Eат. Обнаружено, что у НТН строения zigzag и armchair с увеличением длины энергия Eат уменьшается. При достижении длины ~5 нм значения Eат для zigzag и armchair становятся равными, что говорит об уменьшении влияния строения каркаса на общую энергию трубки. Значение энергии Еат стремится к -43,2 эВ. Известно, что одним из стабильных нанокластеров является молекула С60 (Ih), у которой Eат ~-43 эВ. Ранее стабильность нанотрубок исследовалась в зависимости от диаметра, потому полученный результат является новым.

Во второй главе "Эмиссионная способность углеродных тубулярных нанокластеров" приведены результаты исследования (с помощью разработанного программно-математического обеспечения) зависимости эмиссионной способности углеродных тубулярных нанокластеров от линейных параметров и строения каркаса.

Известно, что эмиссионная способность кластера оценивается по величине его потенциала ионизации, поэтому основное внимание в главе уделяется исследованию зависимости потенциала ионизации (I) от длины, диаметра и строения каркаса. Потенциал ионизации рассчитывается как абсолютное значение энергии последнего заполненного уровня электронного спектра кластера.

Полученные результаты формулируются следующим образом.

- Потенциал ионизации НТН строения armchair с увеличением длины каркаса путем наращивания остова нанокластеров кольцами из гексагонов (см. рис. 3 а) монотонно убывает (сплошная кривая на рис. 3 в).

- Потенциал ионизации НТН в случае увеличения длины добавлением пар С2 по окружности (будем называть такой способ увеличения длины наращивание нитями из атомов углерода, рис. 3 б) убывает немонотонно (наблюдаются затухающие осцилляции, пунктирная кривая на рис. 3 в).

Рис.3. Иллюстрации способов наращивания каркаса и зависимости потенциала ионизации НТН типа armchair: а) наращивание кольцами из гексагонов, б) наращивание нитями, в) изменение потенциала ионизации - Потенциал ионизации НТН со структурой каркаса типа zigzag монотонно убывает с увеличением длины независимо от способа наращивания остова (рис. 4).

- Потенциал ионизации нанокластеров строения zigzag расположен в интервале 6,56,9 эВ.

- Потенциал ионизации НТН строения zigzag и armchair изменяется с диаметром в малых пределах. Например, у нанокластеров типа armchair длиной 1,71 нм его величина равна 6,38 эВ, у zigzag длиной 2,40 нм – 6,70 эВ. При изменении диаметра каркаса значения потенциала ионизации отклоняются от указанных номинальных не более, чем на 0,15 эВ.

Итак, тубулярные нанокластеры типа zigzag и armchair не имеют определенного значения потенциала ионизации и поэтому их эмиссионная способность определяется строением каркаса и его линейными размерами (длиной и, в незначительной степени, – диаметром).

В третьей главе "Исследование упругости тубулярных нанокластеров" представлены результаты исследования (с помощью разработанного пакета вычислительных программ RING) влияния размеров и Рис. 4. Изменение потенциала ионизации строения каркаса на упругость с увеличением длины НТН строения нанокластеров строения zigzag и zigzag armchair различных размеров; изучены два вида деформации: растяжение (сжатие) и кручение.

После генерирования атомной структуры модели кластера и расчета полной энергии кластера и длины его каркаса, отвечающих начальному (до деформации остова) состоянию структуры, производится деформация остова нанокластера растяжением на несколько процентов. Эта длина каркаса фиксируется. Атомная структура деформированного кластера рассчитывается при условии, что линейные параметры остова являются компонентами вектора варьируемых параметров в задаче параметрической минимизации полной энергии (1).

В итоге выполнения перечисленных процедур образуется полный набор численных значений параметров для расчета модуля Юнга, псевдомодуля Юнга и коэффициента Пуассона с использованием следующих соотношений.

Здесь сила растяжения (сжатия) F нанокластера вычисляется по величине энергии упругого растяжения (сжатия) E: E = F L / 2 ; L – длина недеформированного каркаса, L – удлинение каркаса, S – площадь поперечного сечения кольца шириной 3,4 (расстояние между слоями в графите), содержащего периметр остова.

Псевдомодуль Юнга где P – периметр остова.

Коэффициент Пуассона где R – радиус недеформированного остова; R – изменение радиуса в результате деформации.

Для расчета модуля кручения каждый слой атомов закручивается вокруг оси остова относительно основания ("нижний" ряд атомов) на некоторый угол, пропорционально расстоянию до основания (концы остова смещены относительно друг друга на угол ). Длина каркаса остается фиксированной, что отвечает упругой деформации. Атомная структура деформированного кластера определяется минимизацией энергии по линейным параметрам остова.

Модуль кручения вычисляется по энергии кручения E а также по уже рассчитанным значениям модуля Юнга и коэффициента Пуассона Здесь t – толщина стенки цилиндра (для кластера – 3,4 ).

на рис. 5. Идентификаторы кривых те же, что и на рис. 2. Сопоставление этих результатов подтвердило основной вывод о погрешности численных методов НТН следующие.

- Модуль Юнга тубулярных нанокластеров со структурой каркаса zigzag и armchair увеличивается с ростом линейных размеров (см. рис. 5, и табл.2).

- Существует такое значение отношения диаметра к длине, или "точка насыщения", начиная с которого прекращается увеличение модуля Юнга с ростом линейных размеров (длины и/или диаметра) НТН со структурой каркаса zigzag и armchair. Подобное поведение модуля Юнга [1], видимо, объясняется убывающим влиянием открытых концов каркаса на атомную и электронную структуры кластера.

- Величина коэффициента Пуассона НТН остается практически постоянной и составляет ~0,43 для нанокластеров zigzag и ~0,45 для armchair.

Рис. 6. Зависимость модуля Юнга НТН от длины (а) и диаметра (б) каркаса Рис. 7. Зависимость псевдомодуля Юнга от длины остова - Модуль кручения НТН уменьшается с ростом длины каркаса и стремится к насыщению при достижении длины ~3 нм (рис. 8 а).

- Модуль кручения НТН с ростом диаметра увеличивается (рис. 8 б).

Несовпадение значений модулей кручения fЕ (9) и fY (10) объясняется малой длиной трубок: с увеличением поперечного размера остова кривые зависимостей fЕ и fY медленно расходятся (рис. 8 б), а с ростом продольного заметна тенденция к сближению (рис. 8 а). Видимо, решающую роль играет краевой эффект [2].

Рис. 8. Зависимость модуля кручения тубулярных кластеров от длины (а) и диаметра (б) каркаса Результаты изучения упругости трубок по двум параметрам (модулям Юнга и кручения) позволяют утверждать, что наибольшей упругостью будут характеризоваться трубки длиной более 2,5 нм и диаметром ~1 нм [2].

В четвертой главе "Физические явления в углеродных нанокластерах сложной формы и с дефектами каркаса" представлены результаты исследований атомной и электронной структур, а также некоторых физических явлений углеродных НТН с различными типами дефектов. Детально изучены дефекты типа SW, 2V, "ad-dimer", N. Кроме того, изложены новые результаты по нанокластерам сложной формы, таким как нанотрубные торы, бамбукоподобные НТН и гибридные соединения в виде закрытой нанотрубки с инкапсулированным углеродным нанокластером.

Основу математического моделирования указанных выше типов дефектов и нанокластеров сложной формы составили соотношения (1)-(5), на которых базируется метод сильной связи. Для всех перечисленных объектов, кроме N-дефекта, характеристические параметры, необходимые для вычислений по соотношениям (1)-(5), также заимствованы из работ О.Е. Глуховой и А.И. Жбанова.

Характеристические параметры, позволяющие моделировать С-N связь, были найдены как решения минимаксной задачи с ограничениями в следующей постановке:

{ri} – множество C-N длин связей, { r } – множество известных (расчетных или экспериментальных) значений, A = p, Vpp, Vpp, p1, p 2, p 3, p 4, p 5, p 6 – вектор варьируемых параметров.

Задача решалась методами параметрической оптимизации с построением на каждом шаге поверхности целевой функции с тем, чтобы рациональным изменением базисной точки "выйти" на глобальный минимум.

Множество {ri} находилось минимизацией полной энергии (1) кластера по координатам атома азота.

Изложенное по своей сути представляет адаптацию метода сильной связи к исследованию N-дефекта. Результаты решения минимаксных задач по поиску характеристических параметров приведены в таблицах 3 и 4.

Атомные термы и недиагональные матричные элементы гамильтониана Параметры pn функций, описывающих энергию межатомного взаимодействия Эти данные были использованы для изучения характеристик ряда C-N нанокластеров. В таблице 5 приведены некоторые характеристики кластеров C90N6 (нанокластер C96 типа zigzag, в котором шесть атомов углерода, расположенных по окружности, замещены шестью атомами азота) и C84N12 (замещено 12 атомов). Видно, что модуль Юнга снижается с появлением атомов азота, потенциал ионизации практически не меняется.

Энергетические характеристики С-N нанокластеров Далее, исследованы атомное строение, потенциал ионизации и модуль Юнга НТН с SW, 2V, "ad-dimer" (AD)-дефектами. Установлено влияние ориентации дефекта относительно бльшей диагонали гексагона каркаса на строение и свойства кластера. Это обусловило расширение группы рассматриваемых дефектов и объединение их в два класса: SW1-, 2V1-, AD1дефекты и SW2-, 2V2-, AD2-дефекты. Для первого класса дефектов характерна ориентация вдоль бльшей диагонали гексагона, для второго класса – под углом к бльшей диагонали (рис. 9). В таблице 6 размещены значения потенциала ионизации НТН zigzag и armchair с дефектами обоих классов. Для НТН zigzag можно утверждать, что эмиссионная способность НТН с каркасом типа zigzag практически не зависит от наличия (отсутствия) дефектов типа SW, 2V, "ad-dimer". Модуль Юнга кластеров zigzag и armchair с дефектами заметно меняется в диапазоне 0,351,7 ТПа.

Рис. 9. Нанокластер C96 (4,4) с дефектами: а) SW, б) 2V, в) AD Как уже отмечалось, получены новые результаты по нанокластерам сложной формы.

Известным типом сложной формы нанотрубных кластеров является изгиб трубки, сопровождающийся появлением пентагонов в каркасе. Такой тип усложнения принято называть тором. Для нанотрубных торов группы симметрии D5d исследованы атомная и электронная структуры и установлено убывание энергии Eат с увеличением количества атомов в каркасе.

Усложнение формы нанотрубных кластеров введением внутренних перемычек (бамбукоподобных тубулярных нанокластеров) приводит к повышению их механической прочности. Например, с увеличением числа перемычек на единицу длины в НТН armchair (10,10) модуль Юнга возрастает на ~1 ТПа (см. рис. 10).

Рис. 10. Зависимость модуля Юнга Y Рис. 11. Зависимость энергии взаимодейстбамбукоподобной трубки от количества вия тубелена С60 с полем капсулы от его перемычек на единицу длины положения (учтена симметрия капсулы) Другой тип усложнения формы нанотрубного закрытого кластера (капсулы) путем инкапсуляции в него углеродного нанокластера Сn с минимальной деформацией капсулы (оптимально – нулевой) и под условием экзотермичности может привести к свободному движению (поступательному или вращательному) Сn. При этом в капсуле всегда будут существовать две симметричные относительно центра капсулы потенциальные ямы (см. рис. 11, на котором z = 0 есть плоскость симметрии).

Основные результаты и выводы изложены в заключении.

В соответствие с целью работы и сформулированными задачами, получены следующие результаты:

1. Разработаны способ вычисления координат атомов моделей нерегулярных тубулярных нанокластеров различных конфигураций по трем линейным параметрам – трехпараметрический метод генерации атомной структуры, и методика расчета электронной структуры НТН; основу вычислительных процедур составил модифицированный метод сильной связи, адаптированный, в частности, для расчета атомной и электронной структур C-N тубулярных нанокластеров.

2. Создан пакет вычислительных программ RING, позволяющий рассчитывать атомную и электронную структуры моделей НТН, потенциал ионизации, параметры упругости (модули Юнга и кручения), в том числе деформированных, дефектных и нанокластеров сложных форм.

3. Тубулярные нанокластеры типа zigzag и armchair не имеют определенного значения потенциала ионизации, их эмиссионная способность определяется строением каркаса и его линейными размерами (длиной и в незначительной степени – диаметром). С появлением SW-, 2V-, "ad-dimer"-дефектов в каркасе эмиссионная способность НТН типа zigzag практически не меняется, а НТН типа armchair меняется в некотором диапазоне, характерном для данных длины и диаметра каркаса.

4. Высокой упругостью характеризуются бездефектные НТН длиной более 2,5 нм и диаметром ~ 1 нм, а также бамбукоподоные тубулярные нанокластеры.

Основные результаты опубликованы в следующих работах:

Публикации в центральных изданиях, включенных в перечень периодических изданий ВАК РФ 1. О.Е. Глухова, О.А. Терентьев "Теоретическое изучение зависимостей модулей Юнга и кручения тонких однослойных углеродных нанотрубок zigzag и armchair от геометрических параметров" // Физика твердого тела, 2006, т. 48, N 7, с. 1329-1335.

2. О.Е. Глухова, О.А. Терентьев "Моделирование физических свойств углеродных нанотрубок" // Вестник ННГУ. Математическое моделирование и оптимальное управление. Изд-во Нижегородского ун-та, 2006, N 3 (32), с. 64-75.

3. О.Е. Глухова, А.И. Жбанов, О.А. Терентьев "Теоретическое изучение структуры и свойств углеродных нанокластеров по квантовой модели с применением теории симметрии" // Вестник ННГУ. Математическое моделирование и оптимальное управление. Изд-во Нижегородского унта, 2006, N 2 (31), с. 37-46.

Публикации в других изданиях 4. О.Е. Глухова, О.А. Терентьев "Конструирование наноустройств на углеродных нанотрубках с локальными дефектами остова" // Сб. науч. тр.

Российской школы-конференции молодых ученых и преподавателей «Биосовместимые наноструктурные материалы и покрытия медицинского назначения». Изд-во Белгород. госуниверситета, 2006, с. 119-122.

5. О.Е. Глухова, О.А. Терентьев "Теоретическое исследование влияния дефектов каркаса на электронные и механические свойства углеродных нанотрубок"//Вопросы прикладной физики. Изд-во СГУ, 2006, N 13, с. 81-86.

6. О.Е. Глухова, А.С. Колесникова, О.А. Терентьев "Моделирование и теоретическое исследование бамбукоподобных углеродных нанотрубок" // Вопросы прикладной физики. Изд-во СГУ, 2006, N 13, с. 86-88.

7. О.Е. Глухова, О.В. Орлова, О.А. Терентьев "Влияние геометрических параметров на потенциал ионизации углеродной нанотрубки armchair" // Вопросы прикладной физики. Изд-во СГУ, 2005, N 12, с. 108-111.

8. О.Е. Глухова, О.А. Терентьев "Теоретическое изучение электронной структуры и упругих свойств углеродных нанотрубок" // Сб. тр. 4-й межрегион. молодежной науч. школы "Материалы нано-, микро- и оптоэлектроники: физические свойства и применение" Изд-во Мордовского гос. университета имени Н.П. Огарева, Саранск, 2005, с. 21-24.

9. О.А. Терентьев "Влияние дефектов на электронные и упругие свойства углеродных нанотрубок" // Материалы научной школы-конференции «Нелинейные дни в Саратове для молодых – 2005» Изд-во Государственного учеб.-науч. центра «Колледж», Саратов, 2005, с. 51-54.

10. О.Е. Глухова, А.И. Жбанов, О.А. Терентьев "Теоретическое изучение влияния кривизны остова и незамкнутых связей концов на модуль Юнга и модуль кручения углеродных нанотрубок zigzag" // Проблемы оптической физики: Материалы 8 Междун. молодежной научной школы по оптике, лазерной физике и биофизике, Саратов, 2005, с. 66-69.

11. О.Е. Глухова, А.И. Жбанов, О.А. Терентьев "Расчет механических свойств тонких углеродных нанотрубок малой длины с открытыми концами" // Вопросы прикладной физики. Изд-во СГУ, 2004, N 10, с. 72-75.

12. О.Е. Глухова, А.И. Жбанов, О.А. Терентьев "Расчет упругих свойств углеродных нанотрубок малого диаметра" // Сб. науч. трудов Моделирование процессов в радиофизических и оптических устройствах. Издательство “Научная книга”, Саратов, 2003, с. 52-55.

13. О.Е. Глухова, А.И. Жбанов, О.А. Терентьев "Исследование зависимости потенциала ионизации однослойных углеродных нанотрубок от их длины" // Вопросы прикладной физики. Изд-во СГУ, 2003, N 9, с.77-78.

14. О.Е. Глухова, А.И. Жбанов, О.А. Терентьев "Теоретическое изучение упругих свойств однослойных углеродных нанотрубок" // Вопросы прикладной физики. Изд-во СГУ, 2002, N 8, с. 39-41.

15. О.Е. Глухова, А.И. Жбанов, О.А. Терентьев "Генерирование и визуализация геометрической структуры однослойных углеродных нанотрубок" // Сб. науч. статей Моделирование в радиофизических устройствах. ООО “Исток-С”, Саратов, 2002, с. 47-49.

16. О.Е. Глухова, А.И. Жбанов, О.А. Терентьев "Упругие свойства однослойных углеродных нанотрубок" // Вопросы прикладной физики. Изд- во СГУ, 2001, N 7, с. 57-59.