Особливостi електронної структури вуглецевих нановолокон та нанотрубок
The ultrasoft emission spectroscopy method is applied to investigate the energy distribution of valence electrons in carbon nanofibers and nanotubes. It has been revealed that the width of emission bands in nanotubes is smaller than that in nanofibers due to the energy redistribution of valence ele...
Saved in:
| Date: | 2007 |
|---|---|
| Main Authors: | , , , |
| Format: | Article |
| Language: | Ukrainian |
| Published: |
Видавничий дім "Академперіодика" НАН України
2007
|
| Subjects: | |
| Online Access: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/3137 |
| Tags: |
Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
|
| Journal Title: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Cite this: | Особливостi електронної структури вуглецевих нановолокон та нанотрубок / Я.В. Зауличний, Ю.М. Солонін, С.С. Звєзда, Е.В. Прилуцький // Доп. НАН України. — 2007. — № 9. — С. 82-86. — Бібліогр.: 14 назв. — укp. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1859612312076288000 |
|---|---|
| author | Зауличний, Я.В. Солонiн, Ю.М. Звєзда, С.С. Прилуцький, Е.В. |
| author_facet | Зауличний, Я.В. Солонiн, Ю.М. Звєзда, С.С. Прилуцький, Е.В. |
| citation_txt | Особливостi електронної структури вуглецевих нановолокон та нанотрубок / Я.В. Зауличний, Ю.М. Солонін, С.С. Звєзда, Е.В. Прилуцький // Доп. НАН України. — 2007. — № 9. — С. 82-86. — Бібліогр.: 14 назв. — укp. |
| collection | DSpace DC |
| description | The ultrasoft emission spectroscopy method is applied to investigate the energy distribution of
valence electrons in carbon nanofibers and nanotubes. It has been revealed that the width of
emission bands in nanotubes is smaller than that in nanofibers due to the energy redistribution
of valence electrons after the break of bonds when purifying nanotubes from catalysts. It has been
established that the difference between shapes of the emission bands of nanofibers and nanotubes
is a consequence of the appearance of additional mixed π + σ-overlappings in nanotubes.
|
| first_indexed | 2025-11-28T14:53:35Z |
| format | Article |
| fulltext |
УДК 539.2
© 2007
Я.В. Зауличний, член-кореспондент НАН України Ю.М. Солонiн,
С.С. Звєзда, Е. В. Прилуцький
Особливостi електронної структури вуглецевих
нановолокон та нанотрубок
The ultrasoft emission spectroscopy method is applied to investigate the energy distribution of
valence electrons in carbon nanofibers and nanotubes. It has been revealed that the width of
emission bands in nanotubes is smaller than that in nanofibers due to the energy redistribution
of valence electrons after the break of bonds when purifying nanotubes from catalysts. It has been
established that the difference between shapes of the emission bands of nanofibers and nanotubes
is a consequence of the appearance of additional mixed π + σ-overlappings in nanotubes.
Вуглецевi нанотрубки та нановолокна привертають до себе постiйну увагу дослiдникiв зав-
дяки комбiнацiї нанорозмiрних дiаметрiв i ширин графенових шарiв та мiкронних довжин.
Така особлива структура зумовлює наявнiсть унiкальних властивостей даних модифiкацiй
вуглецю. Зокрема, вуглецевi нановолокна (ВНВ) через особливостi своєї структури мають
високу мiцнiсть i гнучкiсть, нарiвнi зi сталевим дротом, при цьому вони набагато легшi
i бiльш жаростiйкi. Вуглецевi нанотрубки (ВНТ) залежно вiд дiаметра та хiральностi мо-
жуть мати напiвпровiдникову або металiчну провiднiсть, демонструвати незвичайнi магнiт-
нi властивостi та виступати у ролi капiлярiв.
Наявнiсть таких особливих властивостей зумовлює необхiднiсть дослiдження електрон-
ної структури вуглецевих нанотрубок та нановолокон, оскiльки саме електронна будова
значною мiрою визначає їх властивостi. Теоретичнi розрахунки електронної структури на-
нотрубок [1–5] пiдтверджуються даними фотоемiсiйної та рентгенiвської емiсiйної спектро-
скопiї [6, 7]. Однак в [6] СKα-смуги нанотрубок, що вiдображають енергетичний розподiл
зайнятих валентних станiв, використовувалися лише для апробацiї розрахункiв, а метою
роботи [7] було встановлення залежностi особливостей електронної структури вiд способу
одержання нанотрубок. У роботi [8], присвяченiй вивченню електронної структури ВНВ,
основна увага придiлена орiєнтацiйнiй залежностi форми рентгенiвської емiсiйної смуги
вiдносно напрямку вiдбору випромiнювання. Однак результати [6–8] одержанi iз значно
меншою роздiльною здатнiстю й не дозволяють виявляти особливостi тонкої структури
СKα-смуг, доступнi нашому методу.
Поряд з цим, при синтезi нанотрубок досi актуальним залишається питання їх iденти-
фiкацiї та доведення вiдмiнностi вiд нанорозмiрних вуглецевих волокон.
Тому слiд провести порiвняльне дослiдження електронної структури вуглецевих нано-
трубок та нановолокон i встановити вiдмiнностi мiж особливостями енергетичного розподi-
лу валентних Ср-електронiв в даних об’єктах. Оскiльки, як вiдомо [9–11], iснує залежнiсть
мiж розмiрними характеристиками дослiджуваних матерiалiв та ширинами i формами їх
емiсiйних смуг, то цi смуги необхiдно дослiджувати в об’єктах з однаковими розмiрами.
ВНТ, що вивчалися в данiй роботi, отриманi робочою групою Прилуцького Е.В. в низь-
котемпературному процесi конверсiї монооксиду вуглецю при температурах 490–500 ◦С
у присутностi кобальтового каталiзатора (11%) з подальшим вiдмиванням вiд нього. Дi-
аметр одержаних багатостiнних ВНТ становив 10–30 нм, а довжина сягала декiлькох мiк-
82 ISSN 1025-6415 Reports of the National Academy of Sciences of Ukraine, 2007, №9
Рис. 1. HRTEM зображення вуглецевих нанотрубок (а) та мiкроскопiчнi зображення вуглецевих волокон (б )
рон. На рис. 1, а наведено зображення вуглецевих багатостiнних нанотрубок, отримане за
допомогою високороздiльної трансмiсiйної електронної мiкроскопiї (HRTEM).
Вуглецевi волокна були одержанi з полiакрилнiтрилу. Середня товщина дослiджуваного
волокна становила 30 нм (однак нам не вдалося видiлити окрему фiбрилу, тому вимiрянi
нами товщини стосуються джгута) (рис. 1, б ).
СKα-смуги емiсiї, якi дослiджувалися в данiй роботi, одержанi методом ультрам’якої
рентгенiвської спектроскопiї за допомогою рентгенiвського спектрометра РСМ-500 з роз-
дiльною енергетичною здатнiстю 0,2 еВ при безмаслянiй вiдкачцi магнiторозрядними насо-
сами НОРД-250 до 10−6 мм рт. ст. Додатковому пiдкладанню СКα-смуг вiд парiв вуглево-
днiв запобiгали застосуванням пастки для виморожування цих парiв навколо анода.
Зразок, що складався з нанотрубок, втирався безпосередньо в одну з граней мiдно-
го анода. Вуглеволоконнi нитки щiльно укладалися на мiдну пластину, змочену тепло- та
електропровiдним клеєм на основi срiбла. Кiнцi волокон фiксувалися за допомогою скоб.
Такий спосiб крiплення зразка дозволив уникнути пiдкладання лiнiй вiд вуглеводнiв, якi
можуть мiститися в клеї. Внаслiдок того, що (001)-графеновi площини ВНВ розташова-
нi вздовж волокна, кристалографiчнi осi c будуть завжди перпендикулярнi до волоконної
нитки [12, 13]. Отже, випромiнювання, що генерується переходами з π-станiв на 1s вакан-
сiї, буде поляризовано щодо осi c, перпендикулярної графеновому шару. Оскiльки анодна
пластина, на яку монтуються волокна, паралельна напрямку вiдбору рентгенiвських проме-
нiв з максимальною iнтенсивнiстю i завжди перпендикулярна збуджуючому рентгенiвське
випромiнювання електронному пучку, то дослiджуванi волокна були орiєнтованi таким чи-
ном, щоб вiдбiр випромiнювання, яке генерується π-станами, вiдбувався в iнтервалi кутiв
0–180◦ (рис. 2, б, в). У першому випадку (див. рис. 2, а) напрямок вiдбору випромiнювання
завжди перпендикулярний площинам, в яких лежать осi pz-орбiталей, задiяних у π-зв’яз-
ках, тому iнтенсивнiсть π-пiдсмуги при такiй орiєнтацiї волокна максимальна. Отже цей
спосiб розташування волокна при даному дослiдженнi є неприйнятним.
Рентгенiвськi СKα-емiсiйнi смуги вуглецевих нанотрубок (1 ) i вуглецевого нановолок-
на (2 ) були одержанi в однакових експериментальних умовах. З порiвняння одержаних
спектрiв (рис. 3) видно, що низькоенергетичнi частини спектрiв фактично збiгаються.
Однак особливiсть “b” довгохвильового контура спектра нанотрубок порiвняно iз смугою
нановолокон зсунута на 0,3 еВ в бiк високих енергiй внаслiдок появи додаткової особливостi
при розщепленнi елемента тонкої структури “а” на напливи “а′” i “а′′”. Така вiдособленiсть
напливiв “а′” i “а′′” (в яких вiдповiдно до розрахункiв [14] зосередженi spσ i spσ
+рpσ-гiбрид-
ISSN 1025-6415 Доповiдi Нацiональної академiї наук України, 2007, №9 83
Рис. 2. Способи орiєнтацiї волокон i їх фiксацiя на анодi
Рис. 3. СKα-емiсiйнi смуги вуглецевих нанотрубок (1 ) i вуглецевих нановолокон (2 )
нi стани) може бути пов’язана з вiдмiнностями в енергiях станiв, задiяних у паралельних
σ-зв’язках, спрямованих уздовж осi нанотрубки, i тих, якi спрямованi до неї пiд кутами.
Вершина СKα-смуги нанотрубок так само, як i нановолокон, представлена змiшаними
π + σ-станами, але на вiдмiну вiд спектра нановолокон розщеплена на двi особливостi “с”
та “с′”. Поява в спектрi ВНТ додаткової особливостi “с′”, якiй, згiдно з розрахунковим да-
ними [14], вiдповiдають рpπ-гiбриднi стани, може бути викликана тим, що при згортаннi
графенового шару в нанотрубку цi стани домiшуються до ppσ-гiбридних станiв, якi вiдобра-
жаються у головному максимумi “с”. Завдяки особливiй геометричнiй формi нанотрубкам
притаманнi рiзнi ступенi π-перекриття pz-орбiталей в радiальному напрямку та вздовж їх
осi (рис. 4).
84 ISSN 1025-6415 Reports of the National Academy of Sciences of Ukraine, 2007, №9
Рис. 4. Схема перекриття електронних орбiталей у вуглецевих нанотрубках в рiзних напрямках
Таким чином, π + σ-перекриттю всерединi нанотрубок в радiальному напрямку вiдпо-
вiдатиме особливiсть “с′” з найменшою енергiєю в короткохвильовому контурi.
У високоенергетичнiй областi СKα-смуг як нановолокон, так i нанотрубок проявляється
особливiсть “d”. Поява цього пiку в нановолокнах є наслiдком деякого незначного пере-
криття sp
2- та pz-орбiталей, а в нанотрубках вона вiдповiдає ppπ-перекрттю pz-орбiталей
в напрямку осi нанотрубки як над її поверхнею, так i всерединi, оскiльки ступенi цих пере-
криттiв однаковi (див. рис. 4). В СKα ВНТ особливiсть “d” з’являється при дещо нижчих
енергiях, нiж в ВНВ, що призводить до зсуву високоенергетичної частини спектра нано-
трубок у бiк низьких енергiй, внаслiдок чого спектр ВНТ в цiй областi енергiй на 1,1 еВ
вужчий. Це звуження зумовлене додатковим внеском розiрваних зв’язкiв, що утворюються
при вiдмиваннi нанотрубок вiд каталiзаторiв.
В околi 282,0 еВ в смугах нанотрубок i нановолокон з’являється особливiсть “е”. На основi
розрахункових даних [14] в максимумi “е” в спектрi нанотрубок вiдображаються πpz-стани,
що перекриваються над поверхнею ВНТ. Iнтенсивностi пiкiв “е” в обох спектрах збiгаю-
ться, але в смузi ВНТ ця особливiсть бiльш роздiлена, нiж в СKα нановолокна. Менша
роздiленiсть особливостi “е” в спектрi нановолокна зумовлена тим, що в ВНВ pz-орбiталi
розташованi пiд кутами до напрямку вiдбору випромiнювання, якi змiнюють своє значен-
ня в дiапазонi 0–180◦, в результатi чого вiдбувається часткове придушення iнтенсивностi
рентгенiвського випромiнювання вiд π-компоненти хiмiчного зв’язку.
Таким чином, порiвняння СKα емiсiйних смуг нановолокон та нанотрубок показало, що
ВНТ характеризуються появою додаткових π + σ-перекриттiв в результатi викривлення
поверхнi графенових шарiв при їх згортаннi в нанотрубки. Крiм того, внаслiдок додатко-
вого внеску розiрваних зв’язкiв, якi виникають при вiдмиваннi нанотрубок, спостерiгається
звуження емiсiйних смуг ВНТ порiвняно зi смугами ВНВ.
Автори висловлюють подяку Є.М. Байтiнгеру i В.Ю. Карасову за наданi для дослiджень
зразки вуглецевих нановолокон.
1. Хstling D., Tománek D., Rosлn A. Electronic structure of single-wall, multiwall and filled carbon nanotu-
bes // Phys. Rev. B. – 1997. – 55. – P. 13980–13987.
2. Suzuki S., Watanabe Y., Ogino T. Electronic structure of carbon nanotubes studied by photoelectron
spectroscopy // Ibid. – 2002. – 66. – P. 035414–1–035414–4.
3. Klusek Z., Kowalczyk P., Byszewski P. Investigations of electronic structure of capped carbon nanotubes
by scanning tunneling spectroscopy // Vacuum. – 2001. – 63. – P. 145–150.
4. Okotrub A., Bulusheva L., Tománek D. X-ray spectroscopy and quantum-chemical study of carbon tubes
produced in arc-discharge // Chem. Phys. Lett. – 1998. – 289. – P. 341–349.
5. Tomanek D., Schluter M.A. Growth Regimes of Carbon Clusters // Phys. Rev. Lett. – 1991. – 67. –
P. 2331–2334.
ISSN 1025-6415 Доповiдi Нацiональної академiї наук України, 2007, №9 85
6. Бржезинская М.М., Байтингер Е.М., Кормилец В.И. Оже- и эмиссионные спектры углеродных
нанотрубок // Физика тв. тела. – 1999. – 41. – С. 1515–1518.
7. Okotrub A., Gusel’nikov A.V., Bulusheva L.G. X-ray spectroscopy characterization of carbon nanotubes
and related structures // Nanoengineered Nanofibrous Materials. NATO Science Series Volume NATO-ASI
(PST 979397) / Eds. S. I. Guceri, Y. Gogotsi, V. Kuznetsov. Dordrecht: Kluwer, 2004. – P. 347–360.
8. Burghard W., Umeno M., Wiech G., Zahorowski W. X-ray spectroscopic study of carbon fibres and graphitic
carbon // J. Phys. C: Solid State Phys. – 1983. – 16. – P. 4243–4258.
9. Жураковский Е.А., Зауличный Я.В., Нешпор В.С. Особенности электронного строения ультрадис-
персных порошков кубического нитрида бора // Порошк. металлургия. – 1991. – 1. – С. 72–76.
10. Зауличный Я.В. Рентгеноспектральное исследование электронной структуры и химической связи
в ультрадисперсных порошках и полученных из них мелкокристаллических материалах. I. Нитрид
титана // Там же. – 1999. – 7/8. – С. 75–85.
11. Зауличний Я.В. Особливостi електронної структури метастабiльних ультрадисперсних систем та
одержаних з них матерiалiв // Фiзика i хiмiя тв. тiла. – 2002. – 3. – С. 312–314.
12. Беленков Е.А. Взаимосвязь параметров структуры углеродного волокна // Изв. Челябинск. науч.
центра. – 1999. – 3. – С. 26–33.
13. Belenkov E.A. Relation of structural parameter in PAN-basis carbon fiber // Журн. прикл. химии. –
1999. – 72. – С. 1526–1530.
14. Östling D., Tománek D., Rosén A. Electronic structure of single-wall, multi-wall, and filled carbon nanotu-
bes // Phys. Rev. B. – 1997. – 55. – P. 13980–13988.
Надiйшло до редакцiї 19.03.2007Iнститут проблем матерiалознавства
iм. I. М. Францевича НАН України, Київ
86 ISSN 1025-6415 Reports of the National Academy of Sciences of Ukraine, 2007, №9
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-3137 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 1025-6415 |
| language | Ukrainian |
| last_indexed | 2025-11-28T14:53:35Z |
| publishDate | 2007 |
| publisher | Видавничий дім "Академперіодика" НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Зауличний, Я.В. Солонiн, Ю.М. Звєзда, С.С. Прилуцький, Е.В. 2009-07-01T09:30:21Z 2009-07-01T09:30:21Z 2007 Особливостi електронної структури вуглецевих нановолокон та нанотрубок / Я.В. Зауличний, Ю.М. Солонін, С.С. Звєзда, Е.В. Прилуцький // Доп. НАН України. — 2007. — № 9. — С. 82-86. — Бібліогр.: 14 назв. — укp. 1025-6415 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/3137 539.2 The ultrasoft emission spectroscopy method is applied to investigate the energy distribution of valence electrons in carbon nanofibers and nanotubes. It has been revealed that the width of emission bands in nanotubes is smaller than that in nanofibers due to the energy redistribution of valence electrons after the break of bonds when purifying nanotubes from catalysts. It has been established that the difference between shapes of the emission bands of nanofibers and nanotubes is a consequence of the appearance of additional mixed π + σ-overlappings in nanotubes. uk Видавничий дім "Академперіодика" НАН України Матеріалознавство Особливостi електронної структури вуглецевих нановолокон та нанотрубок Article published earlier |
| spellingShingle | Особливостi електронної структури вуглецевих нановолокон та нанотрубок Зауличний, Я.В. Солонiн, Ю.М. Звєзда, С.С. Прилуцький, Е.В. Матеріалознавство |
| title | Особливостi електронної структури вуглецевих нановолокон та нанотрубок |
| title_full | Особливостi електронної структури вуглецевих нановолокон та нанотрубок |
| title_fullStr | Особливостi електронної структури вуглецевих нановолокон та нанотрубок |
| title_full_unstemmed | Особливостi електронної структури вуглецевих нановолокон та нанотрубок |
| title_short | Особливостi електронної структури вуглецевих нановолокон та нанотрубок |
| title_sort | особливостi електронної структури вуглецевих нановолокон та нанотрубок |
| topic | Матеріалознавство |
| topic_facet | Матеріалознавство |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/3137 |
| work_keys_str_mv | AT zauličniiâv osoblivostielektronnoístrukturivuglecevihnanovolokontananotrubok AT soloninûm osoblivostielektronnoístrukturivuglecevihnanovolokontananotrubok AT zvêzdass osoblivostielektronnoístrukturivuglecevihnanovolokontananotrubok AT prilucʹkiiev osoblivostielektronnoístrukturivuglecevihnanovolokontananotrubok |