Основы наноелектроники / Основы наноэлектроники / ИДЗ / Книги и монографии / Наноматериалы, методы, идеи. Сборник научных статей, 2007, c.206

Рис.6. Профили поверхностей потенциальных энергий процессов внедрения атома Н в углеродные нанотрубки (6,6), модифицированную 6 (О); 6∙(OH); 6(NH2).

Рис.7. Профили поверхностей потенциальных энергий процессов внедрения атома Н в углеродные нанотрубки (8,0),

81

модифицированные 8 (О) (2 и 3 слоя гексагонов) и 4 (О), нормированные на бесконечность.

Результаты исследования процесса внедрения атомарного водорода в углеродные нанотрубки (УНТ) приведены в таблице.

Таблица. Результаты теоретического исследования модифицированных УНТ.

82

83

84

2. Внедрение молекулярного водорода.

Для установления закономерности проникновения молекулярного водорода в полость однослойных углеродных нанотруб были исследованы трубки (n,0) и (n,n), содержащие 6, 8 гексагонов по периметру и обладающие цилиндрической симметрией. Внутрь трубок внедрялась молекула водорода Н2, которая проходила через центр торцевого отверстия нанотрубки. Диаметры трубок варьируют от 4.8 до 13.8 Å.

Полуэмпирические исследования показали, что проникновения Н2 в тубулены (6,0) и (8,0) не происходит, т.е. можно предположить, что энергии молекулы недостаточно для того, чтобы преодолеть возникший на пути внедрения потенциальный барьер. По мере увеличения диаметра процесс вхождения молекулы водорода в полость трубки приобретает классический безбарьерный характер, причем образующийся при этом комплекс стабилен. При внедрении Н2 в открытые тубулены (6,6) и (8,8) происходит интенсивное капиллярное всасывание водорода (рис. 8), аналогичная картина наблюдается и при интеркалировании Н2 в нанотрубки (6,6) и (8,8) с краевой модификацией (функциональными группами) см. рис. 9.

Рис.8. Профили поверхностей потенциальных энергий процессов внедрения молекулы Н2 в углеродные нанотрубки (6,0) и (6,6); (8,0) и (8,8) гранично-немодифицированные.

85

Рис.9. Профили поверхностей потенциальных энергий процессов внедрения молекулы Н2 в углеродные нанотрубки (6,0) гранично-модифицированные: О, ОН, NH2.

3. Выводы.

1.Проникновение атома водорода в трубки (6,0), (6,6) и (8,0), модифицированные краевыми функциональными группами, в большинстве рассмотренных случаев - метастабильный процесс.

2.Из всех рассмотренных функциональных групп: О, ОН и NH2 - положительное влияние на процесс внедрения Н в полость трубки оказывают гидроксильные группы и атомы кислорода в случаях неполного насыщения открытой границы тубулена.

3.Сравнение механизмов проникновения атомарного водорода в открытые и гранично-модифицированные углеродные тубулены установило положительное влияние функциональных групп на процессы заполнения нанотруб. Обнаружено исчезновение потенциальных барьеров на пути внедряющегося в модифицированные тубулены атома Н.

4.Установлено, что диаметр трубок в значительной мере влияет на проникновение атомарного Н в тубулены: чем больше диаметр, тем эффективнее процесс внедрения. Длина углеродных

87

нанотруб, модифицированных краевыми группами, практически не влияет на процессы их внутреннего заполнения.

5.Обнаружено, что внедрение молекулярного водорода напрямую зависит от диаметра трубок, однако при насыщении краевой области трубки функциональными группами молекула водорода становится способной проникнуть в полости трубок малого диаметра (6,0) и (8,0).

6.Установлен процесс активного капиллярного всасывание молекулярного водорода в трубки (6,6) и (8,8), при этом образующийся комплекс стабилен.

Литература:

1.Dewar M.J.S., Thiel W. Ground states of molecules. 38. The MNDO method. Approximations and Parameters//J. Amer. Chem. Soc.– 1977.–V. 99.–P. 4899 – 4906.

2.Ивановский А.Л., Квантовая химия в материаловедении. Нанотубулярные формы вещества. – Екатеринбург: УрОРАН. – 1999. - 176 С.

3.Харрис П. Углеродные нанотрубы и родственные структуры. Новые материалы XXI века. - Москва: Техносфера. - 2003. - 336 С.

4.Zaporotskova I.V., Lebedev N.G., Zaporotskov P.A. Effects of boundary functional groups in single wall nanotubes: semi-empirical researches // Abs. «Fullerenes and Atomic clusters», June 27 - July 1, 2005, St.-Peterburg. – 2005. - P. 314.

5.Запороцкова И.В., Лебедев Н.Г., Чернозатонский Л.А. Полуэмпирические исследования механизмов внутреннего насыщения углеродных нанотрубок атомарным водородом // Сб. «Углерод: фундаментальные проблемы науки, материаловедение, технология», 13-15 октября 2004, Москва.– 2004. - C. 105.

6.Запороцкова И.В. Заполнение углеродных нанотруб водородом: вероятные механизмы // Нанотехника. – 2005. - № 4. - C. 34 – 37.

7.Эмануэль Н.М., Кнорре Д.Г. Курс химической кинетики. - М.: Высшая школа. - 1984. - 463 C.

88

ПЛАЗМЕННЫЕ КОЛЕБАНИЯ В ДВУМЕРНЫХ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ СВЕРХСТРУКТУРАХ В ПРИСУТСТВИИ ВЫСОКОЧАСТОТНОГО ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ

С.Ю. Глазов

Волгоградский государственный педагогический университет

400131, Волгоград, пр. Ленина,27, glazov@vspu.ru

В работе исследовано влияние гармонического электрического поля на плазменные колебания в двумерном (2D) электронном газе со сверхструктурой (СС). Показано, что частота плазмонов в сильном высокочастотном электрическом поле зависит от амплитуды напряженности поля осциллирующим образом. Численная оценка показывает, что осцилляции могут проявиться при значениях амплитуды напряженности электрического поля больших, чем 1 104 В/см. Расчеты выполнены на основе квантовой теории плазменных колебаний в приближении случайных фаз с учетом процессов переброса.

В последнее время в физике полупроводников возросло внимание к 2D электронным структурам в системе с периодическим потенциалом, и, в частности, к процессам распространения в них плазменных волн. В [1] исследована возможность возникновения плазменных колебаний в 2D электронном газе со сверхструктурой (СС). В [2,3] исследовано влияние сильного постоянного электрического поля на плазменные колебания в 2D электронном газе со CC. В [4] показана возможность распространения в 2D СС уединенных электромагнитных волн. С другой стороны известно [5,6], что высокочастотное электрическое поле приводит к существенному изменению спектра плазменных колебаний в сверхрешетке. В этой связи представляется актуальным исследовать влияние гармонического электрического поля на продольные плазменные колебания в 2D электронном газе в системе с периодическим потенциалом.

89

Влияние дополнительного периодического потенциала (сверхструктуры) в таких объектах можно учесть, записав энергетический спектр носителей тока в приближении сильной связи

(p) 2 cos(pxd) cos(pyd) ,

(1)

где – полуширина минизоны проводимости; d – период СС; px,py – компоненты квазиимпульса электрона в плоскости СС,

=1.

Ограничившись одноминизонным приближением, запишем волновую функцию электронов в минизоне

где – волновая функция состояния, соответствующего рассматриваемой разрешенной минизоне, в одной из потенциальных ям, образующих СС; Nx иNy – число таких ям вдоль осей x и y соответственно.

Решение задачи рассмотрим в приближении заданного гармонического поля, которое будем описывать зависящим от

приближение возможно для частот, значительно больших частот собственных плазменных колебаний СС или для плазмы малой плотности. Предполагаем частоту соударений электронов с решеткой бесконечно малой по сравнению с частотой переменного поля.

В приближении самосогласованного поля гамильтониан взаимодействующих электронов с учетом процессов имеет вид

90