Изменения электронной структуры BN-нанотрубки типа "зигзаг" (12, 0) при инкапсулировании ее калием
Методами теории функционала плотности выполнены расчеты зонной структуры нанотрубки (НТ) на основе гексагонального нитрида бора (12, 0) как идеальной, так и заполненной калием. Расчеты проведены с учетом оптимизации параметров нанотрубки. При этом смена характера проводимости допированной трубки с п...
Збережено в:
| Опубліковано в: : | Физика и техника высоких давлений |
|---|---|
| Дата: | 2010 |
| Автор: | |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Російська |
| Опубліковано: |
Донецький фізико-технічний інститут ім. О.О. Галкіна НАН України
2010
|
| Онлайн доступ: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/69309 |
| 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: | Изменения электронной структуры BN-нанотрубки типа "зигзаг" (12, 0) при инкапсулировании ее калием / В.Г. Бутько // Физика и техника высоких давлений. — 2010. — Т. 20, № 3. — С. 32-36. — Бібліогр.: 17 назв. — рос. |
Репозитарії
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1860056899294068736 |
|---|---|
| author | Бутько, В.Г. |
| author_facet | Бутько, В.Г. |
| citation_txt | Изменения электронной структуры BN-нанотрубки типа "зигзаг" (12, 0) при инкапсулировании ее калием / В.Г. Бутько // Физика и техника высоких давлений. — 2010. — Т. 20, № 3. — С. 32-36. — Бібліогр.: 17 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Физика и техника высоких давлений |
| description | Методами теории функционала плотности выполнены расчеты зонной структуры нанотрубки (НТ) на основе гексагонального нитрида бора (12, 0) как идеальной, так и заполненной калием. Расчеты проведены с учетом оптимизации параметров нанотрубки. При этом смена характера проводимости допированной трубки с полупроводникового на металлический обусловлена сдвигом уровня Ферми.
Методами теорії функціонала щільності виконано розрахунки зонної структури нанотрубки на підставі гексагонального нитріду бору (12, 0) як ідеальної, так і заповненої калієм. Розрахунки проведено з урахуванням оптмізації параметрів структури. При цьому зміна характеру провідності допійованої трубки з напівпровідникового на металевий зумовлена зсувом рівня Фермі.
The band structure calculations of pure and potassium doped «zigzag» type (12, 0) boron nitride nanotubes have been performed by the density functional theory approach. The calculations have been carried out with taking into account the optimization of nanotubes parameters. And the change of conductivity type from semiconducting to metallic one for doped tubes is mainly caused by a Fermi level shift.
|
| first_indexed | 2025-12-07T17:01:28Z |
| format | Article |
| fulltext |
Физика и техника высоких давлений 2010, том 20, № 3
© В.Г. Бутько, 2010
PACS: 71.20.Tx, 73/22.–f
В.Г. Бутько
ИЗМЕНЕНИЯ ЭЛЕКТРОННОЙ СТРУКТУРЫ BN-НАНОТРУБКИ
ТИПА «ЗИГЗАГ» (12, 0) ПРИ ИНКАПСУЛИРОВАНИИ ЕЕ КАЛИЕМ
Донецкий физико-технический институт им. А.А. Галкина НАН Украины
ул. Р. Люксембург, 72, г. Донецк, 83114, Украина
Статья поступила в редакцию 22 февраля 2010 года
Методами теории функционала плотности выполнены расчеты зонной структу-
ры нанотрубки (НТ) на основе гексагонального нитрида бора (12, 0) как идеальной,
так и заполненной калием. Расчеты проведены с учетом оптимизации параметров
нанотрубки. При этом смена характера проводимости допированной трубки с
полупроводникового на металлический обусловлена сдвигом уровня Ферми.
Ключевые слова: электронная структура, нанотрубка, зонная структура, инкапсу-
лирование калием, уровень Ферми
Открытие в 1991 г. углеродных НТ [1] вызвало большое число экспери-
ментальных и теоретических исследований физико-химических свойств как
этих структур, так и подобных им. Уже в 1994 г. было предсказано сущест-
вование бор-азотных нанотрубок [2], которые всего через год были синтези-
рованы [3]. Как хорошо известно, в зависимости от геометрии углеродные
НТ могут быть металлическими или полупроводниковыми. Совершенно
иная ситуация для НТ на основе гексагонального нитрида бора. Они прояв-
ляют стабильные диэлектрические свойства. Ширина запрещенной зоны
почти не зависит от диаметра и хиральности BN-нанотрубки и составляет
4–5 eV. Особенности строения и углеродных, и бор-азотных НТ открывают
возможность создания нового класса объектов, представляющих собой за-
полненные веществом НТ [4]. Пожалуй, наибольший интерес вызывает про-
блема заполнения НТ металлами [5,6], поскольку такие системы могут рас-
сматриваться как миниатюрные соединительные элементы микроэлектрони-
ки. На данный момент инкапсулирование углеродных НТ щелочными ме-
таллами изучено довольно хорошо и всесторонне. Имеются убедительные
лабораторные исследования [7,8] и согласующиеся с ними неэмпирические
расчеты [9–11]. Несмотря на перспективность, о подобных работах с BN-
нанотрубками пока известно значительно меньше [12].
Цель настоящей работы – изучить влияние допирования металлом на
электронное строение бор-азотной НТ. Металл калий и нанотрубка (12, 0)
Физика и техника высоких давлений 2010, том 20, № 3
33
выбирались для примера из следующих соображений. Внедрение калия в НТ
существенно меняет электронные характеристики объекта [7,13]. Как следу-
ет из работы [14], BN-нанотрубки типа «зигзаг» наиболее стабильны, а диа-
метр НТ при хиральных индексах (12, 0) достаточен для инкапсулирования
металла.
В данной работе мы рассматриваем трехмерную модель. Вначале строит-
ся одна НТ заданной хиральности, а затем она транслируется с выбранным
нами периодом по двумерной решетке. Такая совокупность трубок и состав-
ляет кристалл. Расстояние между трубками выбирается таким, чтобы взаи-
модействием между ними можно было пренебречь.
В элементарной ячейке бор-азотной НТ (12, 0) (48 атомов, из них 24 бора
и столько же азота) содержится один атом калия. Из соображений симмет-
рии он находится в центре ячейки. Расстояние между ближайшими атомами
калия равно постоянной решетки вдоль оси НТ 4.34 Å. Электронную струк-
туру НТ рассчитывали в рамках теории функционала плотности неэмпири-
ческим методом LAPW (линеаризованных присоединенных плоских волн) –
пакет WIEN2k [15]. Для обменно-корреляционного потенциала использова-
ли обобщенное градиентное приближение (GGA – generalized gradient
approximation) в виде, предложенном Perdew–Burke–Ernzerhof [16]. Число
разбиений при интегрировании по неприводимой части зоны Бриллюэна в
расчетах выбиралось равным 39, а использованный максимальный волновой
вектор в наборе плоских волн соответствует энергии 20.3 Ry. В результате
проведения самосогласованных расчетов найдены оптимизированные пози-
ции всех атомов и полная энергия системы, а затем рассчитаны зонная
структура соединения, плотность электронных состояний и т.д. При этом
уровень Ферми всегда принимается за точку отсчета.
Предварительно в такой же схеме мы рассчитали равновесное расстояние
между атомами K в линейной цепочке и получили его равным 4.23 Å, т.е.
очень близким к постоянной решетки вдоль оси НТ 4.34 Å. При этом разни-
ца в полной энергии для линейной цепочки калия с постоянными решетки
4.23 и 4.34 Å ничтожна – около 0.003 eV. Отдельная линейная цепочка калия
оказывается проводящей. Зона 4s-состояний калия пересекает уровень Фер-
ми. Заметим, что в кристаллическом K (объемно-центрированная решетка)
при подобном расчете равновесное расстояние равно 4.54 Å.
Если свернуть бор-азотную плоскость в НТ типа «зигзаг» (12, 0), структур-
ные параметры будут следующие: RB = RN = 4.782 Å. Сравнивая эти значения
с данными, приведенными в таблице, видим, что при оптимизации атомы бо-
ра смещаются незначительно, а расстояния от оси НТ до атомов азота увели-
чиваются существенно. Нанотрубка как бы разделяется на две – из атомов бо-
ра и атомов азота. Аналогичные результаты получены в работе [17], где авто-
ры с помощью неэмпирических расчетов исследовали однослойные BN-нано-
трубки малых радиусов. Допирование калием приводит к незначительному
сжатию обеих трубок, что является достаточно неожиданным результатом.
Физика и техника высоких давлений 2010, том 20, № 3
34
Таблица
Оптимизированные параметры неэмпирического расчета
RB RN(m, n) Å F, eV/Å
(12, 0) 4.813 4.862 0.028
(12, 0) + K 4.805 4.854 0.034
Примечание. RB, RN – средние расстояния от оси НТ до атомов соответст-
венно бора и азота; F – максимальная сила, действующая на атом в одном из
направлений.
Казалось бы, диаметр НТ должен увеличиться, как в подобной ситуации у
углеродных НТ [11]. Полная энергия, в расчете на элементарную ячейку,
бор-азотной НТ (12, 0), заполненной калием на 0.185 eV ниже суммы энер-
гий отдельно НТ и атомов калия. То есть мы имеем, безусловно, связанное
состояние, но взаимодействие между НТ и металлом довольно слабое.
Согласно рис. 1,a идеальная бор-азотная НТ типа «зигзаг» (12, 0) пред-
ставляет собой типичный полупроводник с прямой запрещенной щелью,
равной 4.2 eV. Потолок валентной зоны, как и дно зоны проводимости, рас-
положен в точке Г. Наличие всего одного атома калия в элементарной ячей-
ке приводит к существенным изменениям в зонной диаграмме и полной
плотности состояний (рис. 1,б). Энергетические зоны, как валентные, так и
проводимости, опустились примерно на 3.1 eV. Объект становится металлом
с плотностью электронных состояний на уровне Ферми 0.90 states/eV. Сдвиг
энергетических зон хорошо виден и на графиках полной электронной плот-
ности состояний (рис. 1). Фактически эти изменения связаны в основном c
увеличением уровня Ферми на 3.39 eV за счет добавления основных и ва-
лентных электронов калия. Проводимость обеспечивается именно 4s-состоя-
ниями K, зона которых и пересекает уровень Ферми. Электроны бора и азота
в проводимости не участвуют. Рис. 2,б это наглядно демонстрирует.
а б
Рис. 1. Плотность электронных состояний и зонная структура бор-азотной НТ типа
«зигзаг» (12, 0): a – идеальной, б – заполненной калием
Физика и техника высоких давлений 2010, том 20, № 3
35
а б
Рис. 2. Парциальная плотность электронных состояний (––– – B, - - - – N, · · · – K) в
бор-азотной НТ типа «зигзаг» (12, 0): a – идеальной, б – заполненной калием
Из вышеприведенного можно сделать следующие выводы:
1. Неэмпирические расчеты показывают, что идеальная бор-азотная НТ
(12, 0) типа «зигзаг» является полупроводником с прямой запрещенной ще-
лью, равной 4.2 eV.
2. При оптимизации структуры происходит существенное увеличение
диаметра азотной составляющей трубки, атомы бора при этом почти не
смещаются.
3. Допирование бор-азотной НТ (12, 0) линейной цепочкой калия вызыва-
ет ее переход в металлическое состояние. При этом основным изменением в
электронной структуре оказывается сдвиг энергетических зон, обусловлен-
ный повышением уровня Ферми.
1. S. Iijima, Nature (London) 354, 56 (1991).
2. A. Rubio, J. Corkill, M.L. Cohen, Phys. Rev. B49, 5081 (1994).
3. N.G. Chopra, R.J. Luyken, K. Cherry et al., Science 269, 966 (1995).
4. А.В. Елецкий, УФН 170, 113 (2000).
5. A. Loiseau, Fullerene Sci. Technol. 4, 1263 (1996).
6. C. Guerret-Piecourt, Nature 372, 761 (1994).
7. S. Suzuki, F. Maeda, Y. Watanabe, T. Odino, Phys. Rev. B67, 115418 (2003).
8. J.T. Ye, Z.M. Li, Z.K. Tang, Phys. Rev. B67, 113404 (2003).
9. Y. Miamoto, A. Rubio, X. Blase, L.M. Cohen, S. Louie, Phys. Rev. Lett. 74, 2993 (1995).
10. T. Miyake, S. Saito, Phys. Rev. B65, 165419 (2002).
11. В.Г. Бутько, А.А. Гусев, Т.Н. Шевцова, Ю.Г. Пашкевич, ФНТ 35, 183 (2009).
12. D. Golberg, F.F. Xu, Y. Bando, Appl. Phys. A76, 479 (2003).
13. A.M. Rao, P.C. Eklund, S. Bandow, A. Thess, R.E. Smalley, Nature 388, 257 (1997).
14. H.J. Xiang, J. Yang, J.G. Hou, Q. Zhu, New J. Phys. 7, 39 (2005).
15. P. Blaha, K. Schwarz, P.I. Sorantin, S.B. Trickey, Comp. Phys. Commun. 59, 399 (1990).
16. J.P. Perdew, K. Burke and M. Ernzerhof, Phys. Rev. Lett. 77, 3865 (1996).
17. H.J. Xiang, J. Yang, J.G. Hou, Q. Zhu, Phys. Rev. B68, 035427 (2004).
Физика и техника высоких давлений 2010, том 20, № 3
36
В.Г. Бутько
ЗМІНЕННЯ ЕЛЕКТРОННОЇ СТРУКТУРИ BN-НАНОТРУБКИ
ТИПУ «ЗИГЗАГ» (12, 0) ПРИ ІНКАПСУЛЮВАННІ ЇЇ КАЛІЄМ
Методами теорії функціонала щільності виконано розрахунки зонної структури на-
нотрубки на підставі гексагонального нитріду бору (12, 0) як ідеальної, так і запов-
неної калієм. Розрахунки проведено з урахуванням оптмізації параметрів структу-
ри. При цьому зміна характеру провідності допійованої трубки з напівпровіднико-
вого на металевий зумовлена зсувом рівня Фермі.
Ключові слова: електронна структура, нанотрубка, зонна структура, інкапсулю-
вання калієм, рівень Фермі
V.G. Boutko
THE ELECTRONIC STRUCTURE MODIFICATION OF «ZIGZAG» TYPE
(12, 0) BORON NITRIDE NANOTUBE DOPED WITH POTASSIUM
The band structure calculations of pure and potassium doped «zigzag» type (12, 0) boron
nitride nanotubes have been performed by the density functional theory approach. The
calculations have been carried out with taking into account the optimization of nanotubes
parameters. And the change of conductivity type from semiconducting to metallic one for
doped tubes is mainly caused by a Fermi level shift.
Keywords: electronic structure, nanotube, band structure, encapsulating of potassium,
Fermi level
Fig. 1. The electron state density and band structure of «zigzag» type boron nitride
nanotubes: a – pure, б – potassium doped
Fig. 2. The separate electron state density of «zigzag» type boron nitride nanotubes: a –
pure, б – potassium doped
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-69309 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 0868-5924 |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-12-07T17:01:28Z |
| publishDate | 2010 |
| publisher | Донецький фізико-технічний інститут ім. О.О. Галкіна НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Бутько, В.Г. 2014-10-10T18:53:16Z 2014-10-10T18:53:16Z 2010 Изменения электронной структуры BN-нанотрубки типа "зигзаг" (12, 0) при инкапсулировании ее калием / В.Г. Бутько // Физика и техника высоких давлений. — 2010. — Т. 20, № 3. — С. 32-36. — Бібліогр.: 17 назв. — рос. 0868-5924 PACS: 71.20.Tx, 73/22.–f https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/69309 Методами теории функционала плотности выполнены расчеты зонной структуры нанотрубки (НТ) на основе гексагонального нитрида бора (12, 0) как идеальной, так и заполненной калием. Расчеты проведены с учетом оптимизации параметров нанотрубки. При этом смена характера проводимости допированной трубки с полупроводникового на металлический обусловлена сдвигом уровня Ферми. Методами теорії функціонала щільності виконано розрахунки зонної структури нанотрубки на підставі гексагонального нитріду бору (12, 0) як ідеальної, так і заповненої калієм. Розрахунки проведено з урахуванням оптмізації параметрів структури. При цьому зміна характеру провідності допійованої трубки з напівпровідникового на металевий зумовлена зсувом рівня Фермі. The band structure calculations of pure and potassium doped «zigzag» type (12, 0) boron nitride nanotubes have been performed by the density functional theory approach. The calculations have been carried out with taking into account the optimization of nanotubes parameters. And the change of conductivity type from semiconducting to metallic one for doped tubes is mainly caused by a Fermi level shift. ru Донецький фізико-технічний інститут ім. О.О. Галкіна НАН України Физика и техника высоких давлений Изменения электронной структуры BN-нанотрубки типа "зигзаг" (12, 0) при инкапсулировании ее калием Змінення електронної структури BN-нанотрубки типу «зигзаг» (12, 0) при інкапсулюванні її калієм The electronic structure modification of «zigzag» type (12, 0) boron nitride nanotube doped with potassium Article published earlier |
| spellingShingle | Изменения электронной структуры BN-нанотрубки типа "зигзаг" (12, 0) при инкапсулировании ее калием Бутько, В.Г. |
| title | Изменения электронной структуры BN-нанотрубки типа "зигзаг" (12, 0) при инкапсулировании ее калием |
| title_alt | Змінення електронної структури BN-нанотрубки типу «зигзаг» (12, 0) при інкапсулюванні її калієм The electronic structure modification of «zigzag» type (12, 0) boron nitride nanotube doped with potassium |
| title_full | Изменения электронной структуры BN-нанотрубки типа "зигзаг" (12, 0) при инкапсулировании ее калием |
| title_fullStr | Изменения электронной структуры BN-нанотрубки типа "зигзаг" (12, 0) при инкапсулировании ее калием |
| title_full_unstemmed | Изменения электронной структуры BN-нанотрубки типа "зигзаг" (12, 0) при инкапсулировании ее калием |
| title_short | Изменения электронной структуры BN-нанотрубки типа "зигзаг" (12, 0) при инкапсулировании ее калием |
| title_sort | изменения электронной структуры bn-нанотрубки типа "зигзаг" (12, 0) при инкапсулировании ее калием |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/69309 |
| work_keys_str_mv | AT butʹkovg izmeneniâélektronnoistrukturybnnanotrubkitipazigzag120priinkapsulirovaniieekaliem AT butʹkovg zmínennâelektronnoístrukturibnnanotrubkitipuzigzag120priínkapsulûvanníííkalíêm AT butʹkovg theelectronicstructuremodificationofzigzagtype120boronnitridenanotubedopedwithpotassium |