350 руб
Журнал «Радиотехника» №7 за 2020 г.
Статья в номере:
Энергетическая стабильность и электронные свойства углеродного нанотора при локализованном разрыве межатомных связей: компьютерное моделирование
Тип статьи: научная статья
DOI: 10.18127/j00338486-202007(14)-01
УДК: 538.9
Ключевые слова: Углеродные наноторы энергетическая стабильность межатомные связи локальные напряжения деформационные волнообразные изгибы плотность электронных состояний компьютерное моделирование.
Авторы:

О.Е. Глухова – д.ф.-м.н., профессор, зав. кафедрой радиотехники и электродинамики,

Саратовский национальный исследовательский государственный университет имени Н.Г. Чернышевского E-mail: glukhovaoe@info.sgu.ru

М.М. Слепченков – к.ф.-м.н., доцент,  кафедра радиотехники и электродинамики,

Саратовский национальный исследовательский государственный университет имени Н.Г. Чернышевского E-mail: slepchenkovm@mail.ru

Аннотация:

Постановка проблемы. Благодаря циркулярной геометрии углеродные наноторы привлекают интерес исследователей в качестве объекта для фундаментального изучения и создания прикладных разработок. При проведении исследований наноторов важной задачей является оценка структурной стабильности объекта, позволяющая прогнозировать области атомной сетки, наиболее подверженные разрушению при воздействии механической нагрузки. По-прежнему актуальным остается вопрос о влиянии деформации на электронные свойства углеродных наноторов. 

Цель. Исследовать методами компьютерного моделирования динамические процессы, возникающие в углеродном наноторе при локализованном разрыве межатомных связей, и спрогнозировать влияние этих процессов на электронные свойства углеродных наноторов.

Результаты. Теоретически открыто новое физическое явление, заключающееся в образовании и распространении со скоростью 200 м/с деформационных волнообразных изгибов в углеродном наноторе (13,0) при распрямлении его в нанотрубку. С помощью оригинальной методики расчета локальных напряжений атомной сетки дана оценка энергетической стабильности нанотора (13,0) при распространении волнообразных изгибов по его атомной сетке. Определено критическое напряжение атомной сетки, при котором неизбежно будут происходить локальные разрывы связей между атомами. Установлены закономерности изменения типа проводимости нанотора при локализованном разрыве межатомных связей. 

Практическая значимость. Обнаруженное физическое явление объясняет процесс формирования нанотора в ходе синтеза, сопровождаемого многократными разрывами торов и обратного смыкания трубок в торы. Полученные результаты позволяют рассматривать углеродные наноторы как перспективный материал для наноэлектроники, устойчивый к механическим нагрузкам и деформациям.

Страницы: 5-12
Список источников
  1. Wang W., Laird E. D., Gogotsi Y., Li C. Y. Bending single-walled carbon nanotubes into nanorings using a Pickering emulsionbased process // Carbon. 2012. V. 50. P. 1769−1775. DOI: 10.1016/j.carbon.2011.12.024.
  2. Vimalanathan K., Chena X., Raston C. L. Shear induced fabrication of intertwined single walled carbon nanotube rings // Chem. Commun. 2014. V. 50. P. 11295−11298. DOI: 10.1039/C4CC03126A.
  3. Sabzyan H., Kowsarb M. Molecular dynamics simulations of electric field induced water flow inside a carbon nanotorus: a molecular cyclotron // Phys. Chem. Chem. Phys. 2017. V. 19. P. 12384−12393. DOI: 10.1039/C7CP01270E.
  4. Sarapat P., Hill J. M., Baowan D. Mechanics of atoms interacting with a carbon nanotorus: optimal configuration and oscillation behaviour // Philos. Mag. 2019. V. 99. P. 1386−1399. DOI: 10.1080/14786435.2019.1582849.
  5. Sarapat P., Hill J. M., Baowan D. A Review of Geometry, Construction and Modelling for Carbon Nanotori // Appl. Sci. 2019.  V. 9. P. 2301. DOI: 10.3390/app9112301.
  6. Kharissova O. V., Castañón M. G., Kharisov B. I. Inorganic nanorings and nanotori: State of the art // J. Mater. Res. 2019. V. 34.  P. 3998−4010. DOI: 10.1557/jmr.2019.370.
  7. Liu L., Liu F., Zhao J. Curved carbon nanotubes: From unique geometries to novel properties and peculiar applications // Nano Res. 2014. V. 7. P. 626−657. DOI: 10.1007/s12274-014-0431-1.
  8. Chen H., Zhang E., Zhanga K., Zhang S. The Aharonov–Bohm effect in the carbon nanotube ring // RSC Adv. 2015. V. 5. P. 4555145557. DOI: 10.1039/C5RA02039E. 
  9. Sun B. Deformation, Vibration, Buckling of Continuum Nanotorus // J. Nanomater. 2010. V. 2010. P. 480628.  DOI: 10.1155/2010/480628. 
  10. Feng C., Liew K. M. Fracture Properties of Defective Carbon Nanorings // J. Comput. Theor. Nanosci. 2011. V. 8. P. 1−7.  DOI: 10.1166/jctn.2011.1649. 
  11. Feng C., Liew K. M. Buckling Behavior of Armchair and Zigzag Carbon Nanorings // J. Comput. Theor. Nanosci. 2010. V. 7.  P. 2049−2053. DOI: 10.1166/jctn.2010.1583. 
  12. Feng C., He P. F., Liew K. M., Xu W. Predicted mechanical properties of carbon nanotube-based structures // Int. J. Appl. Mech. 2014. V. 06. P. 1450027. DOI: 10.1142/S1758825114500276. 
  13. Silveira J.F.R.V., Muniz A. R. Chain- and chainmail-like nanostructures from carbon nanotube rings // Comput. Mater. Sci. 2019.  V. 161. P. 76−82. DOI: 10.1016/j.commatsci.2019.01.048.
  14. Chuang C., Guan J., Witalka D., et al. Relative stability and local curvature analysis in carbon nanotori // Phys. Rev. B. 2015. V. 91. P. 165433. DOI: 10.1103/PhysRevB.91.165433.
  15. Liu L., Zhang L., Gao H., Zhao J. Structure, energetics, and heteroatom doping of armchair carbon nanotori // Carbon. 2011. V. 49.P. 4518−4523. DOI: 10.1016/j.carbon.2011.06.062.
  16. Liu P., Zhang Y. W. A theoretical analysis of the effect of a Stone-Thrower-Wales defect on the stability of carbon nanotube-based nanorings // Carbon. 2010. V. 48. P. 2225−2230. DOI: 10.1016/j.carbon.2010.02.031. 
  17. Глухова О.Е., Кондрашов В.А., Неволин В.К. и др. Прогнозирование стабильности и электронных свойств углеродных наноторов, синтезируемых при высоковольтном импульсном разряде в парах этанола // Физика и техника полупроводников. 2016. Т. 50. № 4. С. 509−514.
  18. Глухова О.Е., Колесникова А.С. Эмпирическое моделирование продольного растяжения и сжатия графеновых наночастиц и нанолент // Физика твердого тела. 2011. Т. 53. № 9. С. 1855−1860.
  19. Evans D. J., Holian B. L. The Nose–Hoover thermostat // J. Chem. Phys. 1985. V. 83. P. 4069−4074. DOI: 10.1063/1.449071.
  20. Glukhova O. E. Molecular Dynamics as the Tool for Investigation of Carbon Nanostructures Properties // Thermal Transport in Carbon-Based Nanomaterials; Zhang G. (Ed.). Elsevier. 2017. P. 267−289. DOI: 10.1016/B978-0-32-346240-2.00010-8.
  21. Glukhova O. E., Kolesnikova A. S., Slepchenkov M. M. Stability of the thin partitioned carbon nanotubes // J. Mol. Model. 2013.  V. 19. P. 4369−4375, DOI: 10.1007/s00894-013-1947-0.
  22. Elstner M. Gotthard Seifert Density functional tight binding // Phil. Trans. R. Soc. A. 2014. V. 372. P. 20120483.  DOI: 10.1098/rsta.2012.0483.
Дата поступления: 14 мая 2020 г.