Влияние сверхвысокого давления на электронное строение углеродной нанотрубки типа "зигзаг"(8,0)
Методами теории функционала плотности выполнены расчеты электронных свойств углеродной нанотрубки типа «зигзаг» (8,0) при различных степенях сжатия вдоль продольной оси. Изменения зонной структуры исследуемой нанотрубки при повышении давления носят нетривиальный характер, запрещенная щель вначале ув...
Збережено в:
| Опубліковано в: : | Металлофизика и новейшие технологии |
|---|---|
| Дата: | 2011 |
| Автори: | , , |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Russian |
| Опубліковано: |
Інститут металофізики ім. Г.В. Курдюмова НАН України
2011
|
| Теми: | |
| Онлайн доступ: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/140815 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Цитувати: | Влияние сверхвысокого давления на электронное строение углеродной нанотрубки типа "зигзаг"(8,0) / В.Г. Бутько, А.А. Гусев, Т.Н. Шевцова // Металлофизика и новейшие технологии. — 2011. — Т. 33, № 1. — С. 87-92. — Бібліогр.: 13 назв. — рос. |
Репозитарії
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-140815 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
Бутько, В.Г. Гусев, А.А. Шевцова, Т.Н. 2018-07-16T06:44:05Z 2018-07-16T06:44:05Z 2011 Влияние сверхвысокого давления на электронное строение углеродной нанотрубки типа "зигзаг"(8,0) / В.Г. Бутько, А.А. Гусев, Т.Н. Шевцова // Металлофизика и новейшие технологии. — 2011. — Т. 33, № 1. — С. 87-92. — Бібліогр.: 13 назв. — рос. 1024-1809 PACS: 61.48.De, 71.15.Ap,71.15.Mb,71.20.Tx,71.30.+h,73.22.-f, 81.05.ub https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/140815 Методами теории функционала плотности выполнены расчеты электронных свойств углеродной нанотрубки типа «зигзаг» (8,0) при различных степенях сжатия вдоль продольной оси. Изменения зонной структуры исследуемой нанотрубки при повышении давления носят нетривиальный характер, запрещенная щель вначале увеличивается, а затем уменьшается. При осевом сжатии на 9,9% происходит переход в металлическое состояние. Методами теорії функціоналу густини виконано розрахунки електронних властивостей вуглецевої нанорурки типу «зиґзаґ» (8,0) за різних ступенів стиску вздовж поздовжньої вісі. Зміна зонної структури досліджуваної нанорурки внаслідок збільшення тиску має нетривіяльний характер: заборонена щілина спочатку зростає, а потім зменшується. При осьовому стисканні на 9,9% відбувається перехід у металевий стан. Methods of the density functional theory are used to calculate the electronic properties of carbon nanotube of ‘zigzag’ (8.0) type under various degrees of compression along the longitudinal axis. Nontrivial changes in the nanotube band structure with pressure increasing are observed: first, the forbidden gap increases, then it decreases. Transition to metallic state occurs at axial compression of 9.9%. Работа поддержана грантом № 91 программы НАНО НАН Украины. ru Інститут металофізики ім. Г.В. Курдюмова НАН України Металлофизика и новейшие технологии Строение и свойства наноразмерных и мезоскопических материалов Влияние сверхвысокого давления на электронное строение углеродной нанотрубки типа "зигзаг"(8,0) Influence of Superhigh Pressure on Electronic Structure of Carbon Nanotube of (8,0) ‘Zigzag’ Type Article published earlier |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| title |
Влияние сверхвысокого давления на электронное строение углеродной нанотрубки типа "зигзаг"(8,0) |
| spellingShingle |
Влияние сверхвысокого давления на электронное строение углеродной нанотрубки типа "зигзаг"(8,0) Бутько, В.Г. Гусев, А.А. Шевцова, Т.Н. Строение и свойства наноразмерных и мезоскопических материалов |
| title_short |
Влияние сверхвысокого давления на электронное строение углеродной нанотрубки типа "зигзаг"(8,0) |
| title_full |
Влияние сверхвысокого давления на электронное строение углеродной нанотрубки типа "зигзаг"(8,0) |
| title_fullStr |
Влияние сверхвысокого давления на электронное строение углеродной нанотрубки типа "зигзаг"(8,0) |
| title_full_unstemmed |
Влияние сверхвысокого давления на электронное строение углеродной нанотрубки типа "зигзаг"(8,0) |
| title_sort |
влияние сверхвысокого давления на электронное строение углеродной нанотрубки типа "зигзаг"(8,0) |
| author |
Бутько, В.Г. Гусев, А.А. Шевцова, Т.Н. |
| author_facet |
Бутько, В.Г. Гусев, А.А. Шевцова, Т.Н. |
| topic |
Строение и свойства наноразмерных и мезоскопических материалов |
| topic_facet |
Строение и свойства наноразмерных и мезоскопических материалов |
| publishDate |
2011 |
| language |
Russian |
| container_title |
Металлофизика и новейшие технологии |
| publisher |
Інститут металофізики ім. Г.В. Курдюмова НАН України |
| format |
Article |
| title_alt |
Influence of Superhigh Pressure on Electronic Structure of Carbon Nanotube of (8,0) ‘Zigzag’ Type |
| description |
Методами теории функционала плотности выполнены расчеты электронных свойств углеродной нанотрубки типа «зигзаг» (8,0) при различных степенях сжатия вдоль продольной оси. Изменения зонной структуры исследуемой нанотрубки при повышении давления носят нетривиальный характер, запрещенная щель вначале увеличивается, а затем уменьшается. При осевом сжатии на 9,9% происходит переход в металлическое состояние.
Методами теорії функціоналу густини виконано розрахунки електронних властивостей вуглецевої нанорурки типу «зиґзаґ» (8,0) за різних ступенів стиску вздовж поздовжньої вісі. Зміна зонної структури досліджуваної нанорурки внаслідок збільшення тиску має нетривіяльний характер: заборонена щілина спочатку зростає, а потім зменшується. При осьовому стисканні на 9,9% відбувається перехід у металевий стан.
Methods of the density functional theory are used to calculate the electronic properties of carbon nanotube of ‘zigzag’ (8.0) type under various degrees of compression along the longitudinal axis. Nontrivial changes in the nanotube band structure with pressure increasing are observed: first, the forbidden gap increases, then it decreases. Transition to metallic state occurs at axial compression of 9.9%.
|
| issn |
1024-1809 |
| url |
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/140815 |
| citation_txt |
Влияние сверхвысокого давления на электронное строение углеродной нанотрубки типа "зигзаг"(8,0) / В.Г. Бутько, А.А. Гусев, Т.Н. Шевцова // Металлофизика и новейшие технологии. — 2011. — Т. 33, № 1. — С. 87-92. — Бібліогр.: 13 назв. — рос. |
| work_keys_str_mv |
AT butʹkovg vliâniesverhvysokogodavleniânaélektronnoestroenieuglerodnoinanotrubkitipazigzag80 AT gusevaa vliâniesverhvysokogodavleniânaélektronnoestroenieuglerodnoinanotrubkitipazigzag80 AT ševcovatn vliâniesverhvysokogodavleniânaélektronnoestroenieuglerodnoinanotrubkitipazigzag80 AT butʹkovg influenceofsuperhighpressureonelectronicstructureofcarbonnanotubeof80zigzagtype AT gusevaa influenceofsuperhighpressureonelectronicstructureofcarbonnanotubeof80zigzagtype AT ševcovatn influenceofsuperhighpressureonelectronicstructureofcarbonnanotubeof80zigzagtype |
| first_indexed |
2025-11-24T18:45:29Z |
| last_indexed |
2025-11-24T18:45:29Z |
| _version_ |
1850492831037128704 |
| fulltext |
87
СТРОЕНИЕ И СВОЙСТВА НАНОРАЗМЕРНЫХ
И МЕЗОСКОПИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ
PACS numbers:61.48.De, 71.15.Ap,71.15.Mb,71.20.Tx,71.30.+h,73.22.-f, 81.05.ub
Влияние сверхвысокого давления на электронное строение
углеродной нанотрубки типа «зигзаг» (8,0)
В. Г. Бутько, А. А. Гусев, Т. Н. Шевцова
Донецкий физико-технический институт им. А. А. Галкина НАН Украины,
ул. Розы Люксембург, 72,
83114 Донецк, Украина
Методами теории функционала плотности выполнены расчеты электрон-
ных свойств углеродной нанотрубки типа «зигзаг» (8,0) при различных
степенях сжатия вдоль продольной оси. Изменения зонной структуры ис-
следуемой нанотрубки при повышении давления носят нетривиальный
характер, запрещенная щель вначале увеличивается, а затем уменьшает-
ся. При осевом сжатии на 9,9% происходит переход в металлическое со-
стояние.
Методами теорії функціоналу густини виконано розрахунки електронних
властивостей вуглецевої нанорурки типу «зиґзаґ» (8,0) за різних ступенів
стиску вздовж поздовжньої вісі. Зміна зонної структури досліджуваної
нанорурки внаслідок збільшення тиску має нетривіяльний характер: за-
боронена щілина спочатку зростає, а потім зменшується. При осьовому
стисканні на 9,9% відбувається перехід у металевий стан.
Methods of the density functional theory are used to calculate the electronic
properties of carbon nanotube of ‘zigzag’ (8.0) type under various degrees of
compression along the longitudinal axis. Nontrivial changes in the nanotube
band structure with pressure increasing are observed: first, the forbidden
gap increases, then it decreases. Transition to metallic state occurs at axial
compression of 9.9%.
Ключевые слова: углеродная нанотрубка, высокие давления, электрон-
ная структура, уровень Ферми, зонная структура.
(Получено 19 октября 2010 г.)
Углеродные нанотрубки, открытые Иджимой в 1991 г. [1], продол-
жают вызывать повышенный интерес. Он обусловлен и миниатюр-
Металлофиз. новейшие технол. / Metallofiz. Noveishie Tekhnol.
2011, т. 33, № 1, сс. 87—92
Оттиски доступны непосредственно от издателя
Фотокопирование разрешено только
в соответствии с лицензией
© 2011 ИМФ (Институт металлофизики
им. Г. В. Курдюмова НАН Украины)
Напечатано в Украине.
88 В. Г. БУТЬКО, А. А. ГУСЕВ, Т. Н. ШЕВЦОВА
ными размерами этих нанотрубок, и их уникальными физико-
химическими характеристиками [2, 3]. В зависимости от геометрии
отдельная нанотрубка может обладать свойствами либо металличе-
ского проводника, либо полупроводника с различной шириной за-
прещенной зоны. Необычные свойства углеродных нанотрубок со-
ставляют основу для множества направлений их прикладного ис-
пользования, что требует исследования данных структур в экстре-
мальных условиях, одними из которых и являются высокие давле-
ния. В результате сжатия могут изменяться такие характеристики
электронной структуры нанотрубок, как концентрация носителей,
ширина запрещенной зоны, проводимость. Использование техники
высоких давлений для интеркаляции металлов в углеродные мат-
рицы позволяет получать новые материалы и т.д.
Рассмотрим влияние давления на электронную структуру на
примере углеродной нанотрубки «зигзаг» (8,0). Напомним, что
идеальная однослойная нанотрубка представляет собой свернутую в
цилиндр графитовую плоскость. Свойства нанотрубки определяют-
ся хиральностью, зависящей от угла ориентации графитовой плос-
кости относительно оси нанотрубки. Хиральность последней опре-
деляется набором символов (m, n), указывающих координаты ше-
стиугольника, который в результате сворачивания плоскости дол-
жен совместиться с началом координат.
Чаще всего, нанотрубки рассматриваются в одномерном при-
ближении [4, 5]. При этом пренебрегается «эффектом кривизны»
[6], который для узких нанотрубок, однако, становится существен-
ным. С этим связана необходимость выполнения для узких нано-
трубок расчетов в трех измерениях. Подробности нашей модели,
как и особенности нанотрубок типа «зигзаг», описаны в работе [7].
В данной работе мы рассматриваем трехмерную модель. Вначале
строится одна нанотрубка заданной хиральности, а затем она
транслируется с выбранным нами периодом по двумерной решетке.
Такая совокупность трубок и составляет кристалл. Расстояние
между трубками выбиралось равным 6 Å, обеспечивающим полное
отсутствие влияния соседей. В работе [7] показано, что уже на рас-
стоянии между углеродными нанотрубками 4,6 Å, взаимодействие
между ними становится пренебрежимо мало. Двумерная решетка
выбиралась квадратной, в отличие от работ [7, 8], в которых ис-
пользовалась двумерная гексагональная решетка. Квадратная
установка в данных условиях позволяет получить более высокую
симметрию построенного кристалла (пространственная группа
P4/mmm, а при гексагональной установке – Cmmm), и это значи-
тельно сокращает время счета.
Электронная структура нанотрубок рассчитывалась в рамках
теории функционала плотности неэмпирическим методом LAPW
(линеаризованных присоединенных плоских волн; пакет WIEN2k
ВЛИЯНИЕ ДАВЛЕНИЯ НА ЭЛЕКТРОННОЕ СТРОЕНИЕ НАНОТРУБКИ (8,0) 89
[9]). Для обменно-корреляционного потенциала использовалось
обобщенное градиентное приближение (GGA – generalized gradient
approximation) в виде, предложенном Perdew—Burke—Ernzenhof
[10]. Интегрирование выполнялось методом тетраэдров [11] для 36
точек в неприводимой части зоны Бриллюэна, а использованный
максимальный волновой вектор в наборе плоских волн соответству-
ет энергии 16 Рид. В результате выполнения самосогласованных
расчетов находилась полная энергия системы, а затем рассчитыва-
лись зонная структура соединения, плотность электронных состоя-
ний и т.д. Кроме того, при всех степенях сжатия выполнялась оп-
тимизация позиций атомов углерода. В элементарной ячейке их
находится 32.
Совершенство структуры и сила химической связи между атома-
ми углерода, составляющими нанотрубку, позволяют ей иметь вы-
сокие прочностные характеристики. Эксперименты, подтвержден-
ные теоретическими расчетами, показывают предельно высокое
значение модуля Юнга (1—1,25 ТПа) [12, 13]. Поэтому уже неболь-
шое сжатие соответствует высокому давлению. Оценка при 3%-
сжатии вдоль оси нанотрубки, предполагающая еще применимость
закона Гука, дает значение давления примерно в 0,33 Мбар.
Мы выполнили несколько самосогласованных неэмпирических
расчетов для различных степеней сжатия. Таблица содержит полу-
ченные при этом оптимизированные структурные данные и важ-
нейшие энергетические характеристики. Видно, что при увеличе-
нии сжатия, происходит структурная перестройка (естественно,
при сохранении первоначальной симметрии): радиус нанотрубки
существенно растет, длина связи d1 при этом значительно уменьша-
Оптимизированные структурные и энергетические параметры неэмпири-
ческих расчетов.
C/C0 R, Å d1, Å d2, Å Eg, эВ ΔU, эВ
1 3,195 1,416 1,437 0,616 –
0,98 3,203 1,394 1,429 0,713 0,43
0,96 3,222 1,375 1,424 0,689 1,58
0,94 3,238 1,357 1,419 0,503 3,50
0,92 3,256 1,339 1,414 0,265 9,10
0,9 3,281 1,322 1,412 – 12,69
Примечание: С – длина периода вдоль оси нанотрубки (без давления С0 = 4,26 Å);
R – средний радиус нанотрубки; d1 – длина связи С—С между ближайшими ато-
мами углерода, параллельная оси нанотрубки; d2 – длина иных связей;. Eg – ши-
рина запрещенной зоны; ΔU – разность полных энергий в расчете на одну элемен-
тарную ячейку сжатого состояния и исходного (первая строчка).
90 В. Г. БУТЬКО, А. А. ГУСЕВ, Т. Н. ШЕВЦОВА
ется, а длина связи d2 уменьшается несущественно. Напомним, что
в графитовой плоскости длина связи равна 1,42 Å.
Рис. 1. Зависимость ширины запрещенной щели Eg от степени сжатия уг-
леродной нанотрубки (8,0).
а б
в г
Рис. 2. Плотность электронных состояний и зонная структура углеродной
нанотрубки «зигзаг» (8,0). Уровень Ферми принимается за начало отсчета:
a – исходное состояние, б – сжатие 3%, в – сжатие 6%, г – предельное
сжатие 10%.
ВЛИЯНИЕ ДАВЛЕНИЯ НА ЭЛЕКТРОННОЕ СТРОЕНИЕ НАНОТРУБКИ (8,0) 91
Большие значения ΔU показывают, что для достижения таких
сжатий необходимо приложить высокие давления (около 10 Мбар и
выше). Необычно и поведение запрещенной щели: вначале она уве-
личивается и становится максимальной (Eg = 0,764 эВ) при сжатии,
равном 3%, а затем уменьшается, и при сжатии 9,9% запрещенная
щель исчезает. Наглядно этот представлено на рис. 1.
Зонные структуры для наиболее характерных случаев приведены
на рис. 2. Без давления (рис. 2, a) идеальная углеродная нанотрубка
«зигзаг» (8,0) представляет собой типичный полупроводник с пря-
мой запрещенной щелью равной 0,616 эВ. Потолок валентной зоны,
как и дно зоны проводимости, расположены в точке Γ. При сжатии
вдоль оси нанотрубки на 3% щель становится максимальной, так
как зоны проводимости в точке Γ повышаются на 0,148 эВ (рис. 2, б,
справа). Взаимное расположение зон проводимости при этом меня-
ется слабо. Валентные зоны практически остались теми же, только
вторая зона (отсчет от потолка валентной зоны) заметно приблизи-
лась к первой. При дальнейшем сжатии (рис. 2, в) щель уменьшает-
а
б
Рис. 3. Распределение электронной плотности углеродной нанотрубки
«зигзаг» (8,0). Вертикальный разрез. a – исходное состояние, б – пре-
дельно сжатое состояние. Электронная плотность в e/Å3.
92 В. Г. БУТЬКО, А. А. ГУСЕВ, Т. Н. ШЕВЦОВА
ся, а зонная структура, особенно зоны проводимости, уже меняется
существенно. При максимальном рассматриваемом сжатии проис-
ходит перестройка зонной структуры и запрещенная щель исчеза-
ет. На уровне Ферми плотность электронных состояний не нулевая
и равна 0,617 состояния/эВ. Заметим, что в окрестности точки Х
энергетические зоны, и валентные, и проводимости, сдвигаются
заметно слабее, чем вблизи точки Γ.
Несмотря на высокие давления и связанное с этим кардинальное
изменение электронного спектра, карты электронной плотности
(рис. 3) в исходном и предельно сжатом состоянии отличаются не-
существенно. Вырастают значения на непрерывной линии равной
электронной плотности с 0,09 до 0,11 e/Å3, и при сжатии незначи-
тельно увеличивается «толщина» трубки.
Таким образом, показано, что приложение высоких давлений ве-
дет к изменению типа проводимости нанотрубки (8,0) с полупро-
водникового на металлический. В дальнейшем, предполагается
изучить влияние осевого высокого давления на состояния других
углеродных нанотрубок с различным типом хиральности, а также
исследовать случай поперечного сжатия жгута нанотрубок.
Работа поддержана грантом № 91 программы НАНО НАН Украины.
ЦИТИРОВАННАЯ ЛИТЕРАТУРА
1. S. Iijima, Nature, 354: 56 (1991).
2. А. В. Елецкий, УФН, 174: 1191 (2004).
3. R. Saito, G. Dresselhaus, and M. S. Dresselhaus, Physical Properties of Carbon
Nanotubes (London: Imperial College Press: 1998).
4. F. Bogar, J. W. Mintmire, F. Bartha et al., Phys. Rev. B, 72: 085452 (2005).
5. I. Cabria, J. W. Mintmire, and C. T. White, Phys. Rev. B, 67: 121406 (2003).
6. V. Popov, New J. Phys., 6: 1 (2004).
7. В. Г. Бутько, А. А. Гусев, Т. Н. Шевцова, ФТВД, 17, № 4: 58 (2007).
8. H. J. Liu and C. T. Chan, Phys. Rev. B, 66: 115416 (2002).
9. P. Blaha, K. Schwarz, P. I. Sorantin, and S. B. Trickey, Comp. Phys. Commun.,
59: 399 (1990).
10. J. P. Perdew, S. Burke, and M. Ernzerhof, Phys. Rev. Lett., 77: 3865 (1996).
11. P. E. Blochl, O. Jepsen, and O. K. Andersen, Phys. Rev. B, 49: 16223 (1994).
12. J. P. Salvetat, A. J. Kulik, J. M. Bonard et al., Adv. Mater., 11: 161 (1999).
13. J. P. Salvetat, G. A. D. Briggs, J. M. Bonard et al., Phys. Rev. Lett., 82: 944
(1999).
|