Модели углеродных нанотрубок и распределение электронной плотности в них
Построены некоторые модели углеродных нанотрубок, как максимально приближенных к реальным структурам, так и виртуальных. Рассчитано распределение электронной плотности (ЭП) в них. Показана возможность целенаправленного образования областей повышенной ЭП определенной формы, предполагающая изменения э...
Saved in:
| Published in: | Физика и техника высоких давлений |
|---|---|
| Date: | 2005 |
| Main Authors: | , , , |
| Format: | Article |
| Language: | Russian |
| Published: |
Донецький фізико-технічний інститут ім. О.О. Галкіна НАН України
2005
|
| Online Access: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/70107 |
| 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: | Модели углеродных нанотрубок и распределение электронной плотности в них / В.А. Волошин, В.Г. Бутько, А.А. Гусев, Т.Н. Шевцова // Физика и техника высоких давлений. — 2005. — Т. 15, № 1. — С. 38-43. — Бібліогр.: 9 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1860123857446240256 |
|---|---|
| author | Волошин, В.А. Бутько, В.Г. Гусев, А.А. Шевцова, Т.Н. |
| author_facet | Волошин, В.А. Бутько, В.Г. Гусев, А.А. Шевцова, Т.Н. |
| citation_txt | Модели углеродных нанотрубок и распределение электронной плотности в них / В.А. Волошин, В.Г. Бутько, А.А. Гусев, Т.Н. Шевцова // Физика и техника высоких давлений. — 2005. — Т. 15, № 1. — С. 38-43. — Бібліогр.: 9 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Физика и техника высоких давлений |
| description | Построены некоторые модели углеродных нанотрубок, как максимально приближенных к реальным структурам, так и виртуальных. Рассчитано распределение электронной плотности (ЭП) в них. Показана возможность целенаправленного образования областей повышенной ЭП определенной формы, предполагающая изменения электрических, магнитных и прочностных свойств.
Several models of carbon nanotubes, that are maximally approximated to real structures or virtual, have been constructed. Electron-density (ED) distribution in the tubes has been calculated. It is shown that a purposeful formation of regions of increased ED and of a definite shape is possible involving changes in the electric, magnetic and strength properties.
|
| first_indexed | 2025-12-07T17:40:52Z |
| format | Article |
| fulltext |
Физика и техника высоких давлений 2005, том 15, № 1
38
PACS: 61.82.Rx, 62.50.+p, 71.10.−w
В.А. Волошин, В.Г. Бутько, А.А. Гусев, Т.Н. Шевцова
МОДЕЛИ УГЛЕРОДНЫХ НАНОТРУБОК И РАСПРЕДЕЛЕНИЕ
ЭЛЕКТРОННОЙ ПЛОТНОСТИ В НИХ
Донецкий физико-технический институт им. А.А. Галкина НАН Украины
ул. Р. Люксембург, 72, г. Донецк, 83114, Украина
E-mail: voloshin@host.dipt.donetsk.ua
Построены некоторые модели углеродных нанотрубок, как максимально прибли-
женных к реальным структурам, так и виртуальных. Рассчитано распределение
электронной плотности (ЭП) в них. Показана возможность целенаправленного
образования областей повышенной ЭП определенной формы, предполагающая из-
менения электрических, магнитных и прочностных свойств.
Введение
В работе рассчитывается распределение ЭП в нанотрубках модифициро-
ванным статистическим методом (МСМ). В этом методе ЭП получается непо-
средственно как реакция электронной подсистемы на ионные псевдопотен-
циалы, минуя промежуточную стадию расчета электронного спектра [1–3].
МСМ позволяет находить распределение ЭП для кристаллов, состоящих
из ионов любых элементов таблицы Менделеева. При этом под ЭП понима-
ется плотность электронов только нескольких внешних (валентных) элек-
тронных конфигураций данного атома [4]. Остальные электроны совместно
с ядром составляют остов атома. Использование МСМ в расчетах электрон-
ной структуры сжимающихся тел имеет естественные границы применимо-
сти, а именно, атомные остовы не должны перекрываться. В результате рас-
чета можно получить электронную плотность в каждой точке элементарной
ячейки, а затем – карту распределения этой величины на любом срезе.
В предыдущих публикациях МСМ применялся для объяснения или пред-
сказания свойств конкретных реальных кристаллов [4–7]. В настоящей рабо-
те он впервые используется для анализа свойств виртуальных моделей.
Построение моделей
Для построения моделей можно пользоваться разными методиками. Наи-
более общей является методика, когда основным звеном выбирается кольцо
Физика и техника высоких давлений 2005, том 15, № 1
39
из любого числа углеродных атомов. Атомы в кольце могут находиться на
одинаковых расстояниях друг от друга или на разных, но расположенных в
определенном порядке. Верхнее кольцо может наслаиваться на нижнее с за-
данным поворотом или без него и т.д.
Но можно в качестве звена выбрать сумму нескольких колец, построен-
ных в определенном порядке. Так, из чередования суммы двух колец, нахо-
дящихся друг от друга на расстоянии a2/3 , в котором атомы расположе-
ны на расстояниях: а – 2а – а – 2а (причем верхнее кольцо повернуто на
один шаг по отношению к нижнему), получается трубка, поверхность кото-
рой будет состоять из гексагонов – равносторонних шестиугольников. Такая
связь называется «креслом» [8,9], она построена на рис. 1,а,б. Если расстоя-
ния и между кольцами, и между атомами в кольце будут одинаковыми, то
поверхность трубки будет состоять из квадратов (рис. 1,в,г). Наконец, сово-
купность трубок составляет кристалл определенной симметрии. В работе
приводятся структуры, определяемые двумерными гексагональной (кресло)
и квадратной решетками. Целенаправленное изменение распределения ЭП
возможно при определенном изменении расстояния, а значит, и взаимодей-
ствия между ионами, составляющими кристалл. Расстояния между ионами в
звене, между звеньями и, наконец, между трубками в моделях могут быть
изменены отдельно для каждого из этих расстояний, а также в любой ком-
бинации, что позволяет получать довольно широкий спектр различных ви-
дов распределения ЭП.
Модели, в которых расстояния между атомами углерода соответствуют
связям в алмазе и графите при атмосферном давлении
На рис. 1,а,б слева изображено распределение ЭП в двух взаимно перпен-
дикулярных срезах модели углеродной трубки, максимально приближенной
к реально существующим структурам. Ее однослойная поверхность состоит
из гексагонов с расстояниями между ионами углерода d = C–C = 1.42 Å
(аналогично структуре графита). Диаметр трубки D = 5.42 Å, расстояние
между осями ближайших трубок c = 8.52 Å. Расстояние между ионами угле-
рода в кольце меньше, чем между кольцами. Поэтому в первом случае связь
между углеродами ковалентная, а во втором – ионная, т.е. более слабая. По
всей длине трубок вдоль поверхности, как внутренней, так и внешней, имеют-
ся слои одинаковой по величине ЭП, что может предполагать электропровод-
ность. В любых направлениях, перпендикулярных осям трубок, имеются об-
ласти минимальной ЭП, что свидетельствует о невозможности в данном случае
электропроводимости между трубками. Трубки в кристалле находятся на дос-
таточно большом расстоянии, чтобы мало влиять друг на друга. (В данном слу-
чае c = 8.52 Å. Между ближайшими атомами соседних трубок 8.52 − 5.42 = 3.1 Å,
при этом достигается минимально возможное в данном расчете взаимодейст-
вие между трубками). ЭП на внешних поверхностях этих трубок быстро спа-
дает до нуля на середине расстояния между ними.
Физика и техника высоких давлений 2005, том 15, № 1
40
На рис. 1,в,г изображено распределение ЭП в двух взаимно перпенди-
кулярных срезах углеродной трубки, однослойная поверхность которой
состоит из тетрагонов с расстояниями между ионами углерода как в
кольце, так и между кольцами d = C–C = 1.5 Å (аналогично структуре
алмаза). Диаметр трубки D = 3 Å. Расстояние между осями трубок c = 6 Å,
поскольку расстояние между ионами углерода в кольце и между коль-
цами одинаковое, и связи между углеродами во всех случаях одинако-
вые, ковалентные, прочные. Соответственно минимальное взаимодейст-
вие между ближайшими атомами соседних трубок принимается на рас-
стоянии, равном 6 − 3 = 3 Å. Так же, как на рис. 1,б, по всей длине тру-
бок вдоль поверхности, как внутренней, так и внешней, имеются слои
одинаковой по величине ЭП. И в этой модели взаимное влияние трубок
минимально.
Рис. 1. Распределение ЭП в нанотрубках
с поверхностью, выложенной правиль-
ными шестиугольниками (а, б) и квад-
ратами (в, г) с атомами углерода в вер-
шинах: а, в − горизонтальный разрез; б,
г − вертикальный. Крестики – ионы уг-
лерода, цифры – ЭП в e/Å3
Физика и техника высоких давлений 2005, том 15, № 1
41
Сильно сжатые модели трубок
Изменение влияния трубок при их сближении последовательно показано
на рис. 2. Как видим, это влияние минимально на рис. 2,а, поскольку ЭП
между трубками приближается к нулю.
Рис. 2. Изменение ЭП в кристалле из нанотрубок с поверхностью, выложенной
квадратами (вертикальный разрез): а − расстояние между осями трубок 6 Å; б −
кристалл сжат в два раза, расстояние между осями трубок 3 Å; в − в кристалле, сжа-
том в два раза, расстояние между осями трубок дополнительно уменьшено до 2.25 Å
Физика и техника высоких давлений 2005, том 15, № 1
42
Распределение ЭП на вертикальном срезе трубки из тетрагонов, в которой
все расстояния уменьшены вдвое, изображено на рис. 2,б. Расстояние между
осями 3 Å. При этом исчезли признаки электропроводности по внешней по-
верхности трубки, а ЭП на внутренней поверхности резко возросла. Впечат-
ление таково, что электроны сблизившихся трубок взаимно отталкиваются и
увеличивают ЭП внутренних слоев.
На рис. 2,г трубки сближены до расстояния между осями 2.25 Å, а между
ближайшими атомами соседних трубок − до 0.75 Å. Попытка получить бес-
конечный слой одной плотности между двумя трубками из тетрагонов при
слиянии их внешних локальных ЭП привела к тому, что такого слоя не обра-
зовалось. Вместо него сформировался локальный сгусток высокой ЭП, свя-
зывающий ковалентно наперекрест четыре ближайшие иона двух колец.
Заключение
В заключение можно сказать, что закономерности (наличие непрерывных
линий одинаковой плотности по всей длине трубки, максимальной плотно-
сти между ионами и т.д.), вытекающие из сравнения реальной структуры с
виртуальной, аналогичны. Это позволяет для дальнейшей работы использо-
вать более простые модели.
1. И.М. Резник, Электронная плотность в теории свойств основного состояния
кристалла, Наукова думка, Киев (1992).
2. И.М. Резник, ФНТ 22, 524 (1996).
3. И.М. Резник, ФТВД 6, № 3, 45 (1996).
4. В.А. Волошин, П.Н. Михеенко, В.В. Бабенко, В.Г. Бутько, И.М. Резник, Я.И. Юже-
левский, ФНТ 21, 514 (1995).
5. В.В. Бабенко, В.Г. Бутько, В.А. Волошин, И.М. Резник, Е.В. Фоскарино, Письма
в ЖЭТФ 61, 643 (1995).
6. В.А. Волошин, А.А. Гусев, А.И. Дьяченко, И.М. Резник, ЖЭТФ 110, 2135 (1996).
7. V.A. Voloshin, P.N. Mikheenko, A.A. Gusev, Supercond. Sci. Technol. 11, 1146 (1998).
8. R. Saito, G. Dresselhaus, M.S. Dresselhaus, Physical Properties of Carbon Nanotu-
bes, Imperial College Press, London (1998).
9. А.Б. Елецкий, УФН 174, 1191 (2004).
V.A. Voloshin, V.G. But’ko, A.A. Gusev, T.N. Shevtsova
MODELS OF CARBON NANOTUBES AND ELECTRON-DENSITY
DISTRIBUTION
Several models of carbon nanotubes, that are maximally approximated to real structures or
virtual, have been constructed. Electron-density (ED) distribution in the tubes has been cal-
culated. It is shown that a purposeful formation of regions of increased ED and of a definite
shape is possible involving changes in the electric, magnetic and strength properties.
Физика и техника высоких давлений 2005, том 15, № 1
43
Fig. 1. ED distribution in nanotubes with the surface composed of regular hexagons (а, б)
and squares (в, г) and with carbon atoms at vertices: а, в − horizontal section; б, г − verti-
cal one. Small crosses − carbon ions, numerals − ED in e/Å3
Fig. 2. Change in ED in crystal from nanotubes with the surface composed of squares
(vertical section): а − distance between the axes of tubes makes 6 Å; б − double compres-
sion of the crystal, distance between the axes of tubes makes 3 Å; в − in doubly com-
pressed crystal, distance between the axes of tubes has been additionally decreased to
2.25 Å
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-70107 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 0868-5924 |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-12-07T17:40:52Z |
| publishDate | 2005 |
| publisher | Донецький фізико-технічний інститут ім. О.О. Галкіна НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Волошин, В.А. Бутько, В.Г. Гусев, А.А. Шевцова, Т.Н. 2014-10-28T19:27:09Z 2014-10-28T19:27:09Z 2005 Модели углеродных нанотрубок и распределение электронной плотности в них / В.А. Волошин, В.Г. Бутько, А.А. Гусев, Т.Н. Шевцова // Физика и техника высоких давлений. — 2005. — Т. 15, № 1. — С. 38-43. — Бібліогр.: 9 назв. — рос. 0868-5924 PACS: 61.82.Rx, 62.50.+p, 71.10.−w https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/70107 Построены некоторые модели углеродных нанотрубок, как максимально приближенных к реальным структурам, так и виртуальных. Рассчитано распределение электронной плотности (ЭП) в них. Показана возможность целенаправленного образования областей повышенной ЭП определенной формы, предполагающая изменения электрических, магнитных и прочностных свойств. Several models of carbon nanotubes, that are maximally approximated to real structures or virtual, have been constructed. Electron-density (ED) distribution in the tubes has been calculated. It is shown that a purposeful formation of regions of increased ED and of a definite shape is possible involving changes in the electric, magnetic and strength properties. ru Донецький фізико-технічний інститут ім. О.О. Галкіна НАН України Физика и техника высоких давлений Модели углеродных нанотрубок и распределение электронной плотности в них Моделі вуглецевих нанотрубок і розподіл електронної густини в них Models of carbon nanotubes and electron-density distribution Article published earlier |
| spellingShingle | Модели углеродных нанотрубок и распределение электронной плотности в них Волошин, В.А. Бутько, В.Г. Гусев, А.А. Шевцова, Т.Н. |
| title | Модели углеродных нанотрубок и распределение электронной плотности в них |
| title_alt | Моделі вуглецевих нанотрубок і розподіл електронної густини в них Models of carbon nanotubes and electron-density distribution |
| title_full | Модели углеродных нанотрубок и распределение электронной плотности в них |
| title_fullStr | Модели углеродных нанотрубок и распределение электронной плотности в них |
| title_full_unstemmed | Модели углеродных нанотрубок и распределение электронной плотности в них |
| title_short | Модели углеродных нанотрубок и распределение электронной плотности в них |
| title_sort | модели углеродных нанотрубок и распределение электронной плотности в них |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/70107 |
| work_keys_str_mv | AT vološinva modeliuglerodnyhnanotrubokiraspredelenieélektronnoiplotnostivnih AT butʹkovg modeliuglerodnyhnanotrubokiraspredelenieélektronnoiplotnostivnih AT gusevaa modeliuglerodnyhnanotrubokiraspredelenieélektronnoiplotnostivnih AT ševcovatn modeliuglerodnyhnanotrubokiraspredelenieélektronnoiplotnostivnih AT vološinva modelívuglecevihnanotrubokírozpodílelektronnoígustinivnih AT butʹkovg modelívuglecevihnanotrubokírozpodílelektronnoígustinivnih AT gusevaa modelívuglecevihnanotrubokírozpodílelektronnoígustinivnih AT ševcovatn modelívuglecevihnanotrubokírozpodílelektronnoígustinivnih AT vološinva modelsofcarbonnanotubesandelectrondensitydistribution AT butʹkovg modelsofcarbonnanotubesandelectrondensitydistribution AT gusevaa modelsofcarbonnanotubesandelectrondensitydistribution AT ševcovatn modelsofcarbonnanotubesandelectrondensitydistribution |