Квантово-химическое исследование влияния переходного металла на электронное строение углеродных нанотрубок типа зигзаг и кресло

Список литературы

1. Арсланов, В.В. Иммобилизация функциональных молекул и наночастиц в двумерных органических сетках как способ получения стабильных супрамолекулярных устройств/ В.В.Арсланов, Л.С.Шейнина, М.А.Калинина//Защита металлов, 2008.- Т.44, №1.-С. 1-23.

2. Steed, J.W. Supramolekular Chemistry/ Steed J.W., Atwood J.L.. Chichster-New-York: J. Wiley&Sons. 2000.-745p.

3. Kuhn, H. Techniques of Chemistru/Eds. WeissbergerA.,/Kuhn H., Mobius D., Bucher H-Rossiter B.W.N.Y.: A Wiley-Interscience Publ., 1972. V.1. 507 p.

УДК 553

П.Н. Дьячков, Д.З. Кутлубаев

Институт общей и неорганической химии им. Н.С. Курнакова РАН, Москва, Россия Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия

КВАНТОВО-ХИМИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ПЕРЕХОДНОГО МЕТАЛЛА НА ЭЛЕКТРОННОЕ СТРОЕНИЕ УГЛЕРОДНЫХ НАНОТРУБОК ТИПА ЗИГЗАГ И КРЕСЛО

Using quantum chemical calculations the electronic structure of carbon nanotubes coupled with transition metal atoms was studied. The method of linear augmented cylindrical waves was used. Density of states and electronic structure was calculated for nanotubes (13, 0) and (8, 8) coupled with different number of Fe atoms per cell. If coupled with transition metal, semiconducting nanotubes (13, 0) become metallic. Density of states of metallic coupled nanotubes (8, 8) also changes.

Квантово-химическими методами исследовано электронное строение углеродных нанотрубок, легированных атомами переходного металла. Использовался метод линеаризованных присоединенных цилиндрических волн. Были рассчитаны плотности состояний и зонная структура нанотрубок (13, 0) и (8, 8), легированных различных числом атомов железа на элементарную ячейку. При легировании полупроводниковых нанотрубок (13, 0) переходным металлом, они становятся металлическими. Плотность состояний металлических нанотрубок (8, 8) также изменяется.

Углеродные нанотрубки (УНТ) представляют интерес для нанотехнологии в связи с тем, что это удобный материал. Удобство его заключается в том, что: - они состоят из одного типа атомов, имеют устойчивую структуру, что позволяет проводить расчеты и предсказывать их свойства; - обладают различными проводящими свойствами в зависимости от структуры, что позволяет создавать различные наноустройства.

Электрические характеристики углеродных нанотрубок сделали их идеальными кандидатами для использования в микро- и наноэлектронике. Благодаря «баллистическому электронному транспорту» нанотрубки проводят электроэнергию с наименьшим сопротивлением. Они характеризуются электропроводностью в 1000 раз большей, чем у меди. Еще в 1998 г. появились транзисторы на основе нанотрубок.

Прежде чем приступать к созданию наноэлектронных устройств или любых других сложных устройств на основе углеродных нанотрубок, нужно хорошо понимать этот материал и его свойства, нужна теоретическая основа. Для этого и проводятся расчеты. Но несмотря на все достоинства УНТ, как материала для наноэлектроники, сам по себе расчет именно УНТ не так важен, как сам метод, математика, как основа для

научного познания природы, применение квантовой химии в материаловедении. [

]

Метод ЛПЦВ представляет собой распространение на системы с цилиндрической геометрией метода линейных присоединенных плоских волн (ЛППВ) - одного из наиболее точных в теории зонной структуры объемных твердых тел и применимого, в частности, к соединениям переходных металлов.

Рис.1. Зонная структура нанотрубки (13х0), легированной линейной цепочкой из атомов железа Fe.

Рис.1. Плотность состояний для углеродной нанотрубки (13х0), легированной линейной цепочкой из атомов Fe.

Рис.2. Плотность s- и ^ состояний железа Fe.

Рис.3. Плотности состояний от атома углерода С

С целью упрощения вычислений зонной структуры твердых тел еще в 1937 г. Слэтер предложил разбивать пространство кристалла на области атомов и межатомные области. Каждый атом окружается сферой. В окрестностях атомов потенциал и считается сферически симметричным, зависящим только от расстояния до ядра. В пространстве между сферами электронный потенциал изменяется существенно медленнее, чем в области атомов и считается постоянным. Обычно постоянный потенциал межсферной области выбирается за начало отсчета энергии, т.е. полагается равным нулю.

Выводы данной работы. Методом ЛПЦВ, основанным на представлениях квантовой физики твердого тела, рассчитаны электронные свойства наноструктур цилиндрического типа: углеродных нанотрубок, металлических нанопроводов и систем, включающих металлические провода внутри нанотрубки.

Углеродные нанотрубки (13, 0) типа зигзаг с полупроводниковым характером электронной структуры становятся проводниками металлического типа при легировании атомами железа. При легировании одним атомом железа на одну элементарную ячейку нанотрубок (13, 0) железный нанопровод не является проводником, имеет нулевую плотность состояний на уровне Ферми, но углеродная часть такой системы перестает быть полупроводником, приобретает металлический характер электронной структуры. Это связано с тем, что атомы железа находятся далеко друг от друга и от углеродной части.

При легировании тремя и шестью атомами железа на элементарную ячейку, железный нанопровод начинает учавствовать в электропроводности.

Углеродные нанотрубки (8, 8), обладающие металлическим характером электронной структуры, при легировании железом приобретают более высокую плотность состояний на уровне Ферми.

Рассмотрим один из расчетов. Углеродная нанотрубка (13х0), легированная 1 атомом железа на элементарную ячейку.

На каждую элементарную ячейку приходится по 1 атому Fe. Электронные состояния, расположенные на расстоянии до 10 эВ относительно дна валентной зоны остаются прежними, как у нанотрубки типа (13x0).

На рисунке видно, что уровень Ферми не находится на пике полной плотности состояний. Железо вносит вклад в заполнение запрещенной зоны за счет переноса электронов на атомы углерода, см. рис. 1. Само же железо ток не проводит из-за большого расстояния между атомами железа и большого расстояния между атомами железа и углерода. Судя по плотности состояний на рис. 2Ошибка! Источник ссылки не найден., углерод начинает проводить ток при легировании нанотрубки железом за счет заполнения запрещенной зоны состояниями.

Список литературы

1. Дьячков, П.Н. Углеродные нанотрубки. Строение, свойства, применения. М., 2006

УДК 541.182:669.3

Д.А. Коваленко, М.Ю. Королева, Е.В. Юртов

Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия ПОЛУЧЕНИЕ ВОДНЫХ НАНОДИСПЕРСИЙ ОКСИДА МЕДИ

The synthesis of copper oxide nanoparticles was carried out on the reduction of copper ions by sodium borohydride followed by the oxidation with air in aqueous solution. Nucleation kinetics was investigated in dependence on molar ratio of copper and sodium borohydride. The optimal ratio of Cu/ reducing agent and the synthesis time were determined. The effect of Tween 80 on nanoparticle stabilization was studied. Copper oxide nanoparticles were the most stable to agglomeration at 6.3 mM Tween 80 concentration.

Наночастицы оксида меди были синтезированы при восстановлении ионов меди боргидридом натрия в водных растворах и последующем окислении меди до оксида меди. Исследована кинетика синтеза наночастиц при различном мольном соотношении меди и боргидрида натрия. Выбрано оптимальное