Расчёт и моделирование энергетических характеристик углеродных нанотрубок
Курсовой проект - Компьютеры, программирование
Другие курсовые по предмету Компьютеры, программирование
?го столба (мм рт. ст.). При горении плазмы происходит интенсивное термическое испарение анода, при этом на торцевой поверхности катода образуется осадок, в котором формируются нанотрубки углерода. Максимальное количество нанотрубок образуется тогда, когда ток плазмы минимален и его плотность около 100 А/см2. В экспериментальных установках напряжение между электродами составляет около 15-25 В, ток разряда несколько десятков ампер, расстояние между концами графитовых электродов 1-2 мм. В процессе синтеза около 90% массы анода осаждается на катоде. Образующиеся многочисленные нанотрубки имеют длину около 40 мкм. Они нарастают на катоде перпендикулярно плоской поверхности его торца и собраны в цилиндрические пучки диаметром около 50 мкм. Пучки нанотрубок регулярно покрывают поверхность катода, образую сотовую структуру.
Рис.1. Выращенные на катоде нанотрубки
Содержание нанотрубок в углеродном осадке около 60%
Для разделения компонентов полученный осадок помещают в метанол и обрабатывают ультразвуком. В результате получается суспензия, которая после добавления воды подвергается разделению в центрифуге. Крупные частицы прилипают к стенкам центрифуги, а нанотрубки остаются плавающими в суспензии. Затем нанотрубки промывают в азотной кислоте и просушивают в газообразном потоке кислорода и водорода в соотношении 1:4 при температуре 7500 C в течение 5 минут.В результате такой обработки получается лёгкий пористый материал, состоящий из многочисленных нанотрубок со средним диаметром 20 нм и длиной 10 мкм.
Классификация нанотрубок
Для получения нанотрубки (n, m) графитовую плоскость надо разрезать по направлениям пунктирных линий и свернуть вдоль направления вектора R (рис.2) [2, с.15]
рис. 2. Графитовая плоскость.
Как следует из определения, основная классификация нанотрубок проводится по способу сворачивания графитовой плоскости. Этот способ сворачивания определяется двумя числами n и m, задающими разложение направления сворачивания на вектора трансляции графитовой решётки. По значению параметров (n, m) различают:
прямые (ахиральные) нанотрубки;
кресло или зубчатые (armchair) n = m;
зигзагообразные (zigzag) m = 0 или n = 0;
спиральные (хиральные) нанотрубки;
Нанотрубки бывают открытыми и закрытыми с одного или двух концов. В закрытых нанотрубках концы трубочек заканчиваются полусферическими крышечками, составленными из шестиугольников и пятиугольников, напоминающих структуру половинки молекулы фуллерена. Наличие крышечек на концах нанотрубок позволяет рассматривать нанотрубки как предельный случай молекул фуллеренов, длина продольной оси которых значительно превышает диаметр.
Индексы хиральности нанотрубки (m, n) однозначным образом определяют ее структуру, в частности, ее диаметр d. Эта связь очевидна и имеет следующий вид [2, c.16]:
,
где = 0.142 нм - расстояние между соседними атомами углерода в графитовой плоскости. До недавнего времени самой тонкой наблюдаемой была нанотрубка (4, 0). Такая трубка получается внутри цилиндрических каналов кристаллов цеолитов. Но позже удалось обнаружить нанотрубку (2, 0) внутри другой нанотрубки.
При зеркальном отражении (n, m) нанотрубка переходит в (m, n) нанотрубку, поэтому, трубка общего вида зеркально несимметрична. Прямые же нанотрубки либо переходят в себя при зеркальном отражении (конфигурация кресло), либо переходят в себя с точностью до поворота.
Молекулярные и атомные орбитали
Волновые функции дают максимально полную информацию об электронной системе молекулы при фиксированном положении ядер, но рассчитать для довольно сложных систем, например, нанотрубок, опираясь только на уравнение Шредингера и не используя никаких физически правдоподобных предположений о характере волновой функции многоэлектронной системы, невозможно. Одно из важнейших приближений, используемых в теории строения многоэлектронных систем, состоит в том, что многоэлектронную волновую функцию записывают в виде детерминанта, построенного из одноэлектронных волновых функций [2, с. 129]:
Физический смысл записи многоэлектронной волновой функции в виде антисимметризованного произведения одноэлектронных волновых функций состоит в том, что каждому электрону молекулы приписывается своя волновая функция , называемая спин-орбиталью. Каждая спин-орбиталь является произведением функции , зависящей только от пространственных координат электрона, на спиновую функцию. Функция называется орбиталью. Для атомов это будет атомная орбиталь (АО), для молекул - молекулярная орбиталь (МО). В кристаллах или полимерах с трансляционной симметрией функции называют блоховскими функциями. Спиновая функция может принимать два значения, отвечающие проекции спина на ось z, - 1/2 и -1/2. Представление волновой функции ? в виде определителя (7) обеспечивает выполнение условия антисимметричности многоэлектронной волновой функции относительно перестановок электронов; перестановке электронов соответствует перестановка строк в определителе (7), при этом определитель умножается на -1.
Множитель необходим для нормировки многоэлектронной функции; орбитали считаются ортонормированными [2, c. 130]:
Для большинства соединений углерода (за исключением радикалов и ионов), в том числе для углеродных нанотрубок, в основном состоянии все спин-орбитали разбиваются на пары с одинаковой простра