СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ ГИГА- И ТЕРАГЕРЦОВОГО ДИАПАЗОНА ЧАСТОТ
METHOD OF PRODUCTION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION OF GIGA- AND TERAHERTZ FREQUENCY RANGE

Изобретение относится к нанотехнологиям, а именно к области физики твердого тела, и может быть использовано для создания приборов медицинской диагностики нового поколения, неразрушающего контроля материалов, сканирования багажа на транспорте, поиска взрывчатых веществ по их спектральному составу, а также для целей наномикроскопии.
Известен способ индуцирования терагерцового (ТГц) излучения при помощи массива полых углеродных нанотрубок (УНТ), разогретых путем пропускания электрического тока через массив (см. Т. Nakanishi and Т. Ando, J. Phys. Soc. Japan 78, 114708 (2009); O.V. Kibis, M.E. Portnoi, Technical Physics Letters 31 (2005) 671). В известном способе используют хаотично ориентированные полые углеродные многослойные и однослойные нанотрубки разной киральности.
Однако известный способ позволяет генерировать излучение при помощи массива труб и не позволяет получить излучение от одной углеродной нанотрубки.
15
2
Известен способ индуцирования ТГц излучения при помощи массива однойслойных углеродных нанотрубок, установленных на металлической основе, под действием лазерного пучка Nd:YAG с длиной волны 1.06 мкм и мощностью 10 Вт/см (см. Jetendra Parashar, HirdeshSharma Physica E 44 (2012) 2069-2071). Мощность терагерцового излучения массивом нанотрубок составляет 10-16 мкВт.
Однако данным метод получения терагерцового диапазона частот также является дорогостоящим в связи со сложностью создания такого лазера.
Наиболее близким к заявляемому является способ получения ТГц излучения при помощи одностенных УНТ длиной 1 мкм, помещенных в электрическое поле напряженностью 1-4 В при комнатной температуре (см. Martin Mutheea, Sigfrid К. Yngvesson Infrared, Millimeter and Terahertz Waves (IRMMW-THz), 2011 36th International Conference on, doi 10.1109/irmmw-THz.2011.6105081). Полученное излучение собирают посредством встроенных антенн и кремниевой линзы, причем частота излучения зависит от размеров линзы. Коллимированный пучок (ширина луча от ~2,5 до 3 градусов) имеет максимальную излучаемую мощность 450 нВт, что значительно превышает рассчитанное по Найквисту значение мощности теплового шума 8 нВт.
Однако данный способ труден в реализации из-за необходимости применения антенн и линз. Указанный способ принят за прототип.
Таким образом, идея получения электромагнитного излучения ТГц-диапазона частот с помощью углеродных наноструктур была выдвинута в начале 2000 годов. Перспектива получения терагерцового диапазона связывалась только с углеродными нанотрубками. Работы по излучению фуллерена, находящегося в нанопространстве углеродной нанотрубки, отсутствуют.
Задачей предлагаемого решения является получение излучения в терагерцовом и гигагерцовом диапазонах с помощью однослойной нанотрубки, заполненной фуллеренами, и определение технических параметров излучающего устройства.
Технический результат заключается в расширении диапазона частот электромагнитного излучения.
60
60
3
5
6
Указанный технический результат достигается тем, что в способе получения электромагнитного излучения гига- и терагерцового диапазона частот, включающем размещение по крайней мере одной однослойной углеродной нанотрубки в электрическом поле, направленном вдоль трубки, согласно решению выбирают трубку диаметром 1,39 нм и длиной не менее 6,16 нм, с одного края которой расположены как минимум три фуллерена C, связанные между собой и со стенкой нанотрубки, и свободный заряженный фуллерен C, расположенный в потенциальной яме нанотрубки, образованной за счет ван-дер-ваальсового взаимодействия между связанными фуллеренами, стенкой нанотрубки и свободным заряженным фуллереном. Для получения электромагнитного излучения гигагерцового диапазона частот нанотрубку размещают в электрическом поле величиной 1·10 до 9·10 В/см, причем заряд свободного фулерена выбирают от +1e до +3e. Для получения электромагнитного излучения терагерцового диапазона частот нанотрубку размещают в электрическом поле величиной 1·10 В/см, причем заряд свободного фулерена выбирают +3е.
60
Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 представлена модель наноизлучателя, на фиг.2 - вид топологии потенциальной ямы, на фиг.3 - траектории движения фуллерена C в потенциальной яме при различных значениях напряженности электрического поля для фуллерена, имеющего заряд +1e. Позициями на чертежах обозначены:
1 - нанотрубка;
60
2 - цепочка из фуллеренов C, связанных химически между собой и со стенкой нанотрубки;
60
3 - свободный положительно заряженный фуллерен C.
60
60
60
Осуществление заявляемого способа возможно благодаря известности способов инкапсулирования фуллеренов и манипулирования ими внутри нанотрубки. Способ получения нанотрубок с фуллеренами, которые связаны химическими связями друг с другом и со стенкой нанотрубки, заключается в обработке нанотрубок, заполненных фуллеренами, водородным газом (см. Talyzin А.V., LuzanI S.М, Anoshkin I.V., Nasibulin A.G., Jiang Н., Kauppinen Е.I. Hydrogen-driven collapse of C inside single-Walled Carbon nanotubes // Angew. Chem. - 2012 - V.124 - P.4511-4515). Этот газ проникает внутрь нанотрубки и при температуре 500-550°C наблюдается образование химических связей между фуллеренами и между нанотрубкой и фуллеренами, некоторые фуллерены при этом могут оставаться свободными, т.е. химически не связанными со стенкой нанотрубки и с другими фуллеренами. В данной работе в качестве нанотрубки, заполненной фуллеренами, используется нанотрубка заполненная фуллеренами C. В связи с этим пример практической реализации способа излучения гига- и терагерцового диапазона демонстрируется на случае, когда в качестве полимеризованных фуллеренов и положительно заряженного фуллерена используются фуллерены C.
Излучение гига- и терагерцового диапазона осуществляется индивидуальным положительно заряженным фуллереном, который располагается внутри углеродной нанотрубки, с одного из краев которой располагаются фуллерены, химически связанные друг с другом и со стенкой трубки. Углеродная нанотрубка, в которой протекает процесс излучения, может иметь любую атомную структуру, как некиральную (zigzag, armchair), так и киральную. Безусловным требованием к нанотрубке является наличие химически связанных друг с другом и со стенкой трубки фуллеренов, создающих для свободного заряженного фуллерена потенциальную яму, из которой он не может выйти без внешней вынуждающей силы, но в которой он может колебаться, управляемый внешним электрическим полем. В процессе образования химических связей между нанотрубкой и полимеризованными фуллеренами наблюдается деформация углеродной нанотрубки. Форма профиля потенциальной ямы в значительной степени определяется степенью деформации углеродной нанотрубки. Заряженный фуллерен преодолевает потенциальную яму, когда он приобретает дополнительную энергию во внешнем электрическом поле и его энергия становится достаточно большой. Во внешнем электрическом поле фуллерен движется с некоторым ускорением по силовым линиям, излучая электромагнитные волны.
60
60
Заряд фуллерену может сообщить положительный ион калия или лития, помещенный внутрь. Допирование фуллеренов C атомами Li возможно, например, облучением фуллерита C пучком ионов лития с энергией до 30 эВ (см. N. Krawez, A. Gromov, R. Tellgmann, Е.Е.В. Campbell, Electronic properties of novel materials. - Progress in molecular nanostructures, XII International Winterschool, Kirchberg, Tyrol, Austria, 1998, p.368).
60
60
60
60
Заряженный фуллерен C не может излучать в гига- и терагерцовом диапазоне частот самопроизвольно, то есть под влиянием исключительно удерживающего потенциала трубки. Стимулировать процесс излучения можно, оказывая на заряженный фуллерен дополнительное воздействие с помощью внешнего электрического поля, Изменяя форму потенциальной ямы (глубину и ширину), в которой будет осуществляться колебательный процесс фуллерена, можно изменять диапазон излучения. Первоначальное положение заряженного фуллерена C моделируется в потенциальной яме, образованной в углеродной нанотрубке (диаметром 1,39 нм и длиной 6,16 нм), с одного края которой располагаются связанные между собой и со стенкой нанотрубки фуллерены C. Потенциальная яма образуется за счет ван-дер-ваальсового взаимодействия между полимеризованными (связанными) фуллеренами и заряженным фуллереном. Для описания ван-дер-ваальсового взаимодействия был применен потенциал Морзе (см. Wang Y., Tomanek D., Bertsh G.F. Stiffness of a solid composed of C clusters. // Phys. Rev. B. - 1991. - V.44. - N.12. - P.6562-5665):
Пространственная топология потенциальной ямы представлена на фиг.2.
Атомная конфигурация системы рассчитывалась квантово-химическим методом сильной связи.
Для моделирования манипуляции свободным фуллереном в потенциальной яме внешним электрическим полем применяется молекулярная динамика в сочетании с квантово-химическим методом сильной связи.
60
Как только на электродах создается некоторая разность потенциалов, фуллерен C начинает совершать колебательные движения в потенциальной яме, излучая волны гига- и терагерцового диапазона. Движение заряженного и излучающего атома фуллерена описывается уравнением вида:
0
i
<mrow><msub><mover accent="true"><mi>F</mi><mo>→</mo></mover><mi>e</mi></msub><mo>=</mo><msub><mi>q</mi><mi>i</mi></msub><mover accent="true"><mi>E</mi><mo>→</mo></mover></mrow>
<mover accent="true"><mi>E</mi><mo>→</mo></mover>
в котором F - радиационная сила,
сила, действующая со стороны электрического поля (
- напряженность внешнего электрического поля, q - заряд на атоме i). Радиационная сила излучения выражается формулой Лоренца (см. Н.А. Lorentz, La Th′eorie Electromagn′etique de Maxwell et son Application aux Corps Mouvants, Arch. Ne′erl. 25, 363-552 (1892), reprinted in Collected Papers (Martinus Nijhoff, The Hague, 1936), Vol.II, pp.64-343):
0
где ε - диэлектрическая постоянная, c - скорость света. Мощность излучения заряженным фуллереном при этом определяется формулой Лармора (см. McDonald K.Т. The Radiation Reaction Force and the Radiation Resistance of Small Antennas // Princeton University. 2006 (date accessed: 15.03.2013), Web site URL: http://puhep1.princeton.edu/~mcdonald/examples/resistance.pdf):
60
3
5
Проводилось исследование трех случаев, когда C имеет заряд +1e, +2e и +3e; и находится в электрическом поле, ориентированном вдоль оси трубки с напряженностью в интервале от 1·10 до 9·10 В/см. В ходе численного эксперимента установлено, что такое поле не позволяет молекуле покидать дно ямы, и при этом обеспечивает колебательное движение фуллерена в гигагерцовом диапазоне частот. Частота колебаний определяет частоту излучения электромагнитных волн.
5
5
5
5
5
5
5
Для фуллерена с зарядом +1e при различных значениях напряженности поля определены траектории движения в потенциальной яме и параметры затухания (фиг.3). Исследования проводились при наибольших значениях напряженности 3·10 В/см и 7·10 В/см в связи с тем, что время затухания при увеличении напряженности поля возрастает. Показано, что колебательный процесс будет изменяться по гармоническому закону. Установлено, что при напряженности внешнего электрического поля 7·10 В/см декремент затухания составляет 36,25, а при напряженности 3·10 В/см -39,38. Данные результаты показывают, что процесс затухания колебаний при напряженности 3·10 В/см наблюдается быстрее, в связи с тем, что декремент затухания характеризует число периодов, в течение которого происходит затухание колебаний, а не время такого колебания. Для того чтобы колебательный процесс не остановился необходимо осуществлять подачу внешнего электрического поля через 120 псек при напряженности внешнего электрического поля 7·10 В/см, через 8 псек - при напряженности внешнего электрического поля 3·10 В/см.
В Таблице 1 представлены значения КПД нанотрубки.
Таблица 1.
КПД наноизлучателя в зависимости от заряда излучающего фуллерена и подаваемой напряженности электрического поля
заряд 1e
Напряженность, В/см
КПД
3·10<sup>5</sup>
10%
5·10<sup>5</sup>
0,4%
7·10<sup>5</sup>
0,1%
8·10<sup>5</sup>
0,07%
8·10<sup>6</sup>
0,06%
заряд 2e
3·10<sup>5</sup>
3%
5·10<sup>5</sup>
0,8%
7·10<sup>5</sup>
0,6%
4·10<sup>6</sup>
0,08%
заряд 3e
5·10<sup>5</sup>
1,9%
9·10<sup>5</sup>
0,8%
1·10<sup>6</sup>
10%
60
+3
6
-23
-22
Найден режим, при котором наноизлучатель будет излучать волны терагерцового диапазона. Этот режим был подобран для модели фуллерена C , находящегося во внешнем электрическом поле напряженностью 10 В/см. Частота колебаний составляет 0,36 ТГц. Излучаемая мощность составляет 6,89·10 Вт. С учетом сообщаемой энергии электрическим полем подвижному фуллерену, которая в секунду составляет ~6,62·10 Вт, можно оценить коэффициент полезного действия - 9,6%.
В заявляемом способе можно использовать кремневую линзу, если генерировать терагерцовый диапазон частот не с одной нанотрубки, заполненной фуллеренами, как предлагается, а с помощью массива нанотрубок. Однако данный метод получения терагерцового излучения является сложным и дорогостоящим за счет необходимости использования встроенных антенн и кремниевой линзы, поэтому лучше для получения терагерцового диапазона частот использовать одну нанотрубку.