Multipletic states of carbon nanotubes with open ports: quantum chemical studies
The quantum chemical calculation of single wall carbon nanotubes (SWCNT) with open ports has been carried out. Dependence of energetic stable from multiplicity of SWCNT was examined. High multiplicity states are most stable in comparison with singlet state as shown ab initio self consisted field met...
Saved in:
| Date: | 2007 |
|---|---|
| Main Authors: | , , |
| Format: | Article |
| Language: | Russian |
| Published: |
Chuiko Institute of Surface Chemistry National Academy of Sciences of Ukraine
2007
|
| Online Access: | https://surfacezbir.com.ua/index.php/surface/article/view/232 |
| Tags: |
Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
|
| Journal Title: | Surface |
| Download file: |  |
Institution
Surface| _version_ | 1869291335622590464 |
|---|---|
| author | Datsyuk, A. M. Sydorenko, I. G. Lobanov, V. V. |
| author_facet | Datsyuk, A. M. Sydorenko, I. G. Lobanov, V. V. |
| author_institution_txt_mv | [
{
"author": "A. M. Datsyuk",
"institution": "Інститут хімії поверхні ім. О.О. Чуйка Національної академії наук України"
},
{
"author": "I. G. Sydorenko",
"institution": "Інститут хімії поверхні ім. О.О. Чуйка Національної академії наук України"
},
{
"author": "V. V. Lobanov",
"institution": "Інститут хімії поверхні ім. О.О. Чуйка Національної академії наук України"
}
] |
| author_sort | Datsyuk, A. M. |
| baseUrl_str | |
| collection | OJS |
| datestamp_date | 2018-11-27T09:40:57Z |
| description | The quantum chemical calculation of single wall carbon nanotubes (SWCNT) with open ports has been carried out. Dependence of energetic stable from multiplicity of SWCNT was examined. High multiplicity states are most stable in comparison with singlet state as shown ab initio self consisted field method with 3-21 G basis set. Received result may be evidence of existence of SWCNT-based materials with magnetic properties. |
| first_indexed | 2025-07-22T19:31:18Z |
| format | Article |
| fulltext |
Химия, физика и технология поверхности. 2007. Вып 13. С.239-243
239
УДК 544.723
МУЛЬТИПЛЕТНЫЕ СОСТОЯНИЯ УГЛЕРОДНЫХ
НАНОТРУБОК С ОТКРЫТЫМИ ПОРТАМИ:
КВАНТОВОХИМИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ
А.М. Дацюк, И.Г. Сидоренко, В.В. Лобанов
Институт химии поверхности им. А.А. Чуйко Национальной академии наук Украины
ул. Генерала Наумова, 17, 03164, Киев-164
Проведены квантовохимические исследования одностенных углеродных нано-
трубок (ОУНТ) с открытыми портами. Рассмотрена зависимость их полных энергий
от мультиплетности. Неэмпирическим методом самосогласованного поля Хартри-
Фока с применением базиса 3-21 G показано, что высшие мультиплетные состояния
ОУНТ более стабильны, чем синглетные. Полученные результаты могут служить
доказательством существования магнитных свойств материалов на базе ОУНТ.
The quantum chemical calculation of single wall carbon nanotubes (SWCNT) with open
ports has been carried out. Dependence of energetic stable from multiplicity of SWCNT was
examined. High multiplicity states are most stable in comparison with singlet state as shown ab
initio self consisted field method with 3-21 G basis set. Received result may be evidence of
existence of SWCNT-based materials with magnetic properties.
Научный интерес к синтезу наноразмерных твердых тел связан, прежде всего, с
ожидаемыми разнообразными физико-химическими размерными эффектами, наблю-
даемыми при переходе от макротел к объектам, структурные единицы которых не
превышают 100 нм. Следует отметить, что научные достижения в области нанонаук
породили и прикладное применение полученных знаний. Физические размерные
эффекты проявляются в усиленной прочности композиционных материалов, в увели-
ченной их способности к радиопоглощению, если они содержат, например,
наноразмерные примеси металлических частичек [1].
Методики синтеза наноразмерных материалов сейчас хорошо отработаны. Тем не
менее, экспериментальные исследования физико-химических, механических и др.
свойств полученных материалов представляют определенные трудности. Они обус-
ловлены отсутствием достаточного количества и качества аналитического оборудования,
с помощью которого можно было бы измерять те или другие характеристики нанораз-
мерных объектов.
Поэтому не удивительно, что для определения свойств синтезированных матери-
алов применяют теоретические методы, с помощью которых можно и прогнозировать их
свойства с заведомо заданной структурой. Известно, что наноразмерные объекты харак-
теризуются высокой удельной площадью поверхности [2]. К таким телам принадлежат
углеродные наноматериалы. Последние удобны для квантовохимических исследований,
поскольку при моделировании их структуры на атомно-молекулярном уровне не
приходится применять ряд ограничений, которые имеют место, например, для кластеров
высокодисперсного кремнезема [3].
Углеродные наноматериалы имеют небольшой удельный вес, поэтому их приме-
нение в электронике, в композиционных материалах, в другом оборудовании имеет
большие перспективы со многих точек зрения [4].
240
В последнее время появился ряд публикаций о возможности проявления ферро-
магнитных эффектов в разнообразных твердых телах на основе фуллеренов [5]. Хотя за
последние несколько лет проведены теоретические расчеты, которые показывают, что
особенности электронного строения углеродных систем могут привести к возникнове-
нию ферромагнитных свойств (которые сохраняются и при высоких температурах), но
их количество незначительно [5, 6].
Раньше было показано, что одностенные углеродные нанотрубки типа (8,0) харак-
теризуются необычными свойствами, связанными с аномальностью распределения моле-
кулярного электростатического потенциала вдоль цилиндрической оси нанотрубки [7].
Упомянутые объекты не исследовались на предмет наличия магнитных свойств. Необхо-
димое условие их возникновения – наличие неспаренных электронов, которые, несом-
ненно, локализуются на атомах углерода на портах ОУНТ. Цель работы – поиск стабиль-
ных высших мультиплетных состояний углеродных нанотрубок типа (8,0) и выяснение
взаимного расположения соответствующих уровней энергии.
Результаты и обсуждение
Для построения углеродных нанотрубок заданной хиральности и длины разра-
ботан математический алгоритм и использованы возможности программного продукта
Microsoft Office Excel [8]. Подход полезен тем, что, задавая индекс хиральности [9],
количество поясов углеродных гексагонов и тип структуры нанотрубки, т.е. фактически
определяя ее длину, можно получить декартовы координаты части атомов, трансляция
которых в рамках определенной группы симметрии порождает все атомы углеродного
каркаса нанотрубки. В табл. 1 представлены уникальные координаты атомов углерода,
использованные для построения структуры углеродной нанотрубки с 4 и 5 поясами
углеродных гексагонов. Размножение координат осуществляли с помощью
специального модуля программы GAMESS [10], применяя правила групп симметрии
(D8h – для парного количества поясов гексагонов, S28 – для непарного).
Таблица 1. Уникальные декартовые координаты атомов углерода в структуре ОУНТ
типа (8,0) с четырьмя и пятью поясами гексагонов.
№
ато-
ма
С80, D8h С96, S28
x y z x y z
1 3,0912 -0,6148 0,355 1,2297 2,9688 0,71
2 3,0912 -0,6148 1,775 2,0993 2,0993 1,42
3 3,0912 0,6148 2,485 2,0993 2,0993 2,84
4 3,0912 0,6148 3,905 1,2297 2,9688 3,55
5 3,0912 -0,6148 4,615 1,2297 2,9688 4,97
6 – – – 2,0993 2,0993 5,68
С применением правила соответствующих точечных групп симметрии к
исходным координатам, получены координаты 80 атомов углерода в одностенных
углеродных нанотрубках (ОУНТ) с 4 поясами гексагонов (С80) и 96 атомов углерода – с
5 поясами гексагонов (C96). Диаметр таких нанотрубок составляет 6,2 Å, а длина 9,3 Å и
11,2 Å, что соответствует параметрам экспериментально синтезированных образцов
ОУНТ [11, 12]. Изображение этих нанотрубок представлено на рис. 1.
241
а б
Рис. 1. Структура ОВНТ типа (8,0) с четырьмя (а) и пятью (б) поясами гексагонов.
Для поиска равновесных конфигураций использовали неэмпирическую про-
цедуру самосогласованного поля в базисе 3–21 G [13]. Точность оптимизации гео-
метрических параметров определялась максимальным значением 10-5 Хартри/Бор произ-
водных энергии по декартовым координатам, энергия вычислялась с точностью 2,6×10-
2 кДж/моль (10-5 ат. ед.). Расчеты проводили для состояний с мультиплетностью М = 1,
3, 5, 7, 9. Применялся пакет квантово-химических программ GAMESS версии 6.4 [14].
Некоторые результаты квантово-химического иссследования приведены в табл. 2,
а энергетические состояния мультиплетов ОУНТ изображены на рис. 2.
Таблица 2. Результаты квантовохимического исследования мультиплетов ОУНТ
Муль-
типлет
ность
Спин,
Sz
C80 C96
Энергия,
а.е.
Диполь-
ный
момент,
μ
ΔЕ, эВ
(ЕВЗМО -
ЕНВМО)
Энергия,
а.е.
Диполь-
ный
момент,
μ
ΔЕ, эВ
(ЕВЗМО -
ЕНВМО)
1 0 -345,81768 1,15 4,0 -415,38055 0,0 3,8
3 1 -346,43277 0,74 5,5 -416,02332 0,3 5,6
5 2 -346,47839 1,14 6,6 -415,55110 0,1
7 3 -346,49421 1,36 5,8 -416,02476 0,5 6,9
9 4 -346,43278 0,98 7,0 -416,04872 1,4 6,6
Исходя из разницы энергий высших занятых и нижних вакантных молекулярных
орбиталей, можно предположить, что ОУНТ С80 и С96 должны быть широкозонными
полупроводниками с ΔЕ =3,8…7,0. Эти данные согласуются с результатами ряда работ
других авторов [15]. В рассмотренных типах ОУНТ наблюдается значительное пониже-
ние энергии высших спиновых состояний по сравнению с синглетными. При этом в
случае С80 минимум отвечает М = 7, а для С96 – М = 9. Эти данные свидетельствуют о
стабильности состояний с неспаренными электронами, что служит хорошей предпо-
сылкой для проявления магнитных свойств таких типов углеродных нанотрубок.
242
Электронная структура нанотрубок конечной длины предполагает возможность
магнитного упорядочения, которое сильно зависит от радиуса и длины ОУНТ [16]. Как
следует из анализа энергетических уровней и спиновых плотностей, природа такого
магнитного упорядочения может быть связана с краевыми состояниями, поскольку
эффективные спины на краю зиг-заг нанотрубки, в данном случае нанотрубки типа (8,0),
обладают почти свободной подвижностью [17], о чем свидетельствуют некоторые
экспериментальные работы, но все же неоднозначно определяют причины проявления
магнитных свойств ОУНТ [4]. Большинство исследователей связывают магнетизм
углеродных структур с наличием примесей никеля или кобальта, которые, как обычно,
используются в каталитических процессах роста углеродных нанотрубок [15]. В данном
исследовании показано, что и чистые незамкнутые на концах углеродные нанотрубки
могут сами по себе проявлять магнитные свойства без посторонних примесей.
1 2 3 4 5 6 7 8 9
-346,5
-346,4
-346,3
-346,2
-346,1
-346,0
-345,9
-345,8
Эн
ер
ги
я,
а
т.
е
д.
Мультиплетность
а
0 2 4 6 8 10
-416,1
-416,0
-415,9
-415,8
-415,7
-415,6
-415,5
-415,4
-415,3
Эн
ер
ги
я,
а
т.
е
д.
Мультиплетность
б
Рис. 2. Полная энергия ОУНТ в зависимости от мультиплетности состояний: а) – с
четырьмя и б) пятью поясами гексагонов.
Работа выполнена при финансовой поддержке государственного фонда
фундаментальных исследований Украины (грант Gp/F13/0137 от 2007 года).
243
Литература
1. Елецкий А.В. Углеродные нанотрубки // Успехи физ. наук. – 1997. – Т. 167, № 9. –
С. 945 – 972.
2. Физико-химия наноматериалов и супрамолекулярных структур. Том. 1 / Под. ред.
А.П. Шпака, П.П. Горбика. – К.: Наук. думка, 2007. – 430 с.
3. Чуйко А.А., Горлов. Ю.И. Химия поверхности кремнезема: строение поверхности,
активные центры, механизмы сорбции. – К.: Наук. думка, 1992. – 248 с.
4. Макарова Т.Л. Магнитные свойства углеродных структур // Физика и техника
полупроводников. – 2004. – Т. 38, № 6. – С. 641 – 664.
5. Ferromagnetic carbon with enhanced Curie temperature / V.N. Narozhnyi, K.-H. Müllera,
D. Eckerta, A. Teresiaka, L. Dunscha, V.A. Davydovb, L.S. Kashevarovab,
A.V. Rakhmanina // Physica B. – V. 329 – 333, Part 2, May 2003. – P. 1217 – 1218.
6. Mestechkin M.M. Spin magnetism of finite length zigzag carbon nanotubes / Physica B. –
2006. – V. 382. – Р. 305 – 311.
7. Дацюк А.М, Громовой Т.Ю., Лобанов В.В. Анализ свойств углеродных нанотрубок
по картам распределения молекулярного электростатического потенциала // Теорет.
эксперим. химия. – 2004. – Т. 40, № 5. – С.269 – 272.
8. http://www.microsoft.com.
9. Rao C.N.R., Seshadri R., Govindaraj A. Fullerenes, nanotubes, oions and related carbon
structures // Mater. Sci. Eng. – 1995. – V. 15. – P.209 – 262.
10. General atomic and molecular electronic-structure system: Review / M.W. Schmidt,
K.K. Baldridge, J.A. Boatz, S.T. Elbert, M.S. Gordon, J.H. Jensen, S. Koseki,
N. Matsunaga, K.A. Nguen, S.J. Su, T.L. Windus, M. Dupuis, J.A. Montgomery // J.
Comput. Chem. – 1993. – V. 14, № 11. – P. 1347 – 1363.
11. Creating the narrowest carbon nanotubes / L.F. Sun, S.S. Xie, W. Liu, W.Y. Zhou,
Z.Q. Liu, D.S. Tang, G. Wang, L.X. Qian // Nature. – 2000. – V. 403, № 6768. – P. 384.
12. The smallest carbon nanotube / L.C. Qin, X. Zhao, K. Hirahara, Y. Miyamoto, Y. Ando,
S. Iijima // Nature. – 2000. – V. 408, № 6808. – P. 50.
13. Davidson E.R., Feller D. Basis set selection for molecular calculation // Chem. Rev. –
1986. – V. 86, № 4. – P. 681 – 696.
14. http://classic.chem.msu.su/gran/gamess/index.html.
15. Dresselhaus M.S., Dresselhaus G., Eklund P.C. Science of Fullerenes and Carbon
Nanotubes // Academic Press, 1996. – 965 p.
16. Observation of zigzag and armchair edges of graphite using scanning tunneling
microscopy and spectroscopy / Y. Kobayashi, K. Fukui, T. Enoki, K. Kusakabe,
Y. Kaburagi // Phys. Rev. B. – 2005. – V. 71. – Р. 193406.
17. Hikihara T., Hu X. Numerical renormalization study on magnetic properties of edge states
in carbon nanotubes // Physica B: Condensed Matter. – 2003. – V. 329 – 333, Part 2. –
P. 1166 – 1167.
http://www.microsoft.com/
http://classic.chem.msu.su/gran/gamess/index.html
http://scitation.aip.org/vsearch/servlet/VerityServlet?KEY=ALL&possible1=Kobayashi%2C+Yousuke&possible1zone=author&maxdisp=25&smode=strresults&aqs=true
http://scitation.aip.org/vsearch/servlet/VerityServlet?KEY=ALL&possible1=Fukui%2C+Ken-ichi&possible1zone=author&maxdisp=25&smode=strresults&aqs=true
http://scitation.aip.org/vsearch/servlet/VerityServlet?KEY=ALL&possible1=Enoki%2C+Toshiaki&possible1zone=author&maxdisp=25&smode=strresults&aqs=true
http://scitation.aip.org/vsearch/servlet/VerityServlet?KEY=ALL&possible1=Kusakabe%2C+Koichi&possible1zone=author&maxdisp=25&smode=strresults&aqs=true
http://scitation.aip.org/vsearch/servlet/VerityServlet?KEY=ALL&possible1=Kaburagi%2C+Yutaka&possible1zone=author&maxdisp=25&smode=strresults&aqs=true
|
| id | oai:ojs.pkp.sfu.ca:article-232 |
| institution | Surface |
| keywords_txt_mv | keywords |
| language | Russian |
| last_indexed | 2026-03-12T17:06:35Z |
| publishDate | 2007 |
| publisher | Chuiko Institute of Surface Chemistry National Academy of Sciences of Ukraine |
| record_format | ojs |
| resource_txt_mv | surfacezbircomua/dc/b1bf4015defb4050afc09e76782edadc.pdf |
| spelling | oai:ojs.pkp.sfu.ca:article-2322018-11-27T09:40:57Z Multipletic states of carbon nanotubes with open ports: quantum chemical studies Мультиплетные состояния углеродных нанотрубок с открытыми портами: квантовохимическое исследование Multipletic states of carbon nanotubes with open ports: quantum chemical studies Datsyuk, A. M. Sydorenko, I. G. Lobanov, V. V. The quantum chemical calculation of single wall carbon nanotubes (SWCNT) with open ports has been carried out. Dependence of energetic stable from multiplicity of SWCNT was examined. High multiplicity states are most stable in comparison with singlet state as shown ab initio self consisted field method with 3-21 G basis set. Received result may be evidence of existence of SWCNT-based materials with magnetic properties. Проведены квантовохимические исследования одностенных углеродных нанотрубок (ОУНТ) с открытыми портами. Рассмотрена зависимость их полных энергий от мультиплетности. Неэмпирическим методом самосогласованного поля Хартри-Фока с применением базиса 3-21 G показано, что высшие мультиплетные состояния ОУНТ более стабильны, чем синглетные. Полученные результаты могут служить доказательством существования  магнитных свойств материалов на базе ОУНТ. The quantum chemical calculation of single wall carbon nanotubes (SWCNT) with open ports has been carried out. Dependence of energetic stable from multiplicity of SWCNT was examined. High multiplicity states are most stable in comparison with singlet state as shown ab initio self consisted field method with 3-21 G basis set. Received result may be evidence of existence of SWCNT-based materials with magnetic properties. Chuiko Institute of Surface Chemistry National Academy of Sciences of Ukraine 2007-06-21 Article Article application/pdf https://surfacezbir.com.ua/index.php/surface/article/view/232 Surface; No. 13 (2007): Chemistry, Physics and Technology of Surface; 239-243 Поверхность; № 13 (2007): Химия, физика и технология поверхности; 239-243 Поверхня; № 13 (2007): Хімія, фізика та технологія поверхні; 239-243 3154-8091 3154-8083 ru https://surfacezbir.com.ua/index.php/surface/article/view/232/230 Авторське право (c) 2007 А.М. Datsyuk, I.G. Sydorenko, V.V. Lobanov |
| spellingShingle | Datsyuk, A. M. Sydorenko, I. G. Lobanov, V. V. Multipletic states of carbon nanotubes with open ports: quantum chemical studies |
| title | Multipletic states of carbon nanotubes with open ports: quantum chemical studies |
| title_alt | Multipletic states of carbon nanotubes with open ports: quantum chemical studies Мультиплетные состояния углеродных нанотрубок с открытыми портами: квантовохимическое исследование |
| title_full | Multipletic states of carbon nanotubes with open ports: quantum chemical studies |
| title_fullStr | Multipletic states of carbon nanotubes with open ports: quantum chemical studies |
| title_full_unstemmed | Multipletic states of carbon nanotubes with open ports: quantum chemical studies |
| title_short | Multipletic states of carbon nanotubes with open ports: quantum chemical studies |
| title_sort | multipletic states of carbon nanotubes with open ports: quantum chemical studies |
| url | https://surfacezbir.com.ua/index.php/surface/article/view/232 |
| work_keys_str_mv | AT datsyukam multipleticstatesofcarbonnanotubeswithopenportsquantumchemicalstudies AT sydorenkoig multipleticstatesofcarbonnanotubeswithopenportsquantumchemicalstudies AT lobanovvv multipleticstatesofcarbonnanotubeswithopenportsquantumchemicalstudies AT datsyukam mulʹtipletnyesostoâniâuglerodnyhnanotruboksotkrytymiportamikvantovohimičeskoeissledovanie AT sydorenkoig mulʹtipletnyesostoâniâuglerodnyhnanotruboksotkrytymiportamikvantovohimičeskoeissledovanie AT lobanovvv mulʹtipletnyesostoâniâuglerodnyhnanotruboksotkrytymiportamikvantovohimičeskoeissledovanie |