Введение к работе
Актуальность темы
Последние десяіилеіия наблюдается значительный прогресс в р<мвиіии методов исследования физических свойств объектов со все меньшим пространственным разрешением Новые возможносіи исследований привели к созданию новой отрасли технологии — нанотехнологии, те производству материалов и изделий, которые состоят из объектов с характерными размерами менее 100 нм, а также к развитию наноэлектроники и наномеханики, основанных на новых нанотехнологиях
Тем не менее, несмотря на значительный практический прогресс достигнутый в нанотехнологии, до сих пор отсутствуют общепринятые концепции для механизмов образования и роста многих наноструктур В частности, это относится к новым аллотропным модификациям углерода — фуллеренам, наночастицам и нанотрубкам Исследование механизмов образования и роста углеродных наноструктур важно не только для определения оптимальных условий синтеза при промышленном получении этих наноструктур, но и для понимания физических принципов процессов самоорганизации в других наносистемах
Развитие нанотехнологии привело также к возможности создания на поверхности искусственных нанолокальных дефектов с заданными свойствами и относиїельньїм положением Теоретические исследования возможностей использования адсорбции частиц (в том числе селективной адсорбции заданных часіиц) на поверхносіи с искуссівен-ными дефектами актуально для разработки новых методов создания поверхностных наноструктур и датчиков для обнаружения сверхмалых количесів заданных вещесів
В наносистемах (кластерах, наночастицах и тд) возможна иерархия различных термодинамических и структурных состояний системы при их нагреве или охлаждении Исследование процессов образования и роста наноструктур, а также фазовых переходов в наносистемах актуально как для прогресса фундаментальной физики, так и для разработки новых методов нанотехнологии получения наноструктур и кластерных
маїериалов
Одними из самых интересных наноструктур являются нанотрубки Ряд свойств углеродных нанотрубок возможность слоев нанотрубок легко скользить относительно друг друга, модуль Юнга, в 5 раз больший, чем у стали, и металлическая проводимость большинства слоев делает углеродные нанотрубки перспективными для использования в наноэлектромеханических системах (НЭМС) одновременно в качестве подвижных элементов и элементов электрической цепи В этой связи являются очень актуальными исследования относительного движения и взаимодействия слоев нанотрубок, разработка принципов работы и принципиальных схем НЭМС, основанных на таком движении Цель работы.
Моделирование процесса адсорбции частиц на дефектах поверхности и анализ возможностей использования адсорбции часшц на искусгвенных дефекіах для разработки новых методов нанотехнологии
Объяснение фундаментальных физических процессов, приводящих к образованию нанообъектов, в частности, фуллеренов и наночастиц с оболочечной структурой
Исследование специфики фазовых переходов в наносистемах
Исследование взаимодействия и относительного движения слоев углеродных нанотрубок и разработка принципов работы и схем наноэлектромеханических систем, основанных на нанотрубках
Научная новизна
Предложены новые методы наноіехнодогии, основанные на адсорбции часгиц на поверхности с искуственными дефектами Разработана теория, описывающая адсорбцию частиц на поверхности с нанолокальными дефектами В рамках этой теории предложены параметры, предназначенные для оценки эффективности различных предложенных методов для пары адсорбент-адсорбат
Впервые проведено моделирование процесса локализации частицы движущейся по поверхности на нанолокальном дефекте поверхности и определена вероятность
такого процесса '*'" ~г " ''' " ~ ^--.-,. -*
Образование различных углеродных наноструктур со структурой замкнутых оболочек — фуллеренов, наночастиц и нанотрубок объяснено в рамках единого механизма
Впервые проведено моделирование процесса роста углеродной наночастицы с оболочечной структурой
Впервые проведено моделирование ориентационного плавления углеродной наночастицы Сбо@Сг4о с оболочечной структурой
Разработана классификация двухслойных углеродных нанотрубок (ДУНТ) с соизмеримыми слоями
Предсказана возможность использовать ДУНТ в НЭМС в качестве пары наноболт-наногайка
Предложены принципиальные схемы новых НЭМС, основанных на взаимодействии и относительном движении слоев углеродных нанотрубок нанореле, нанотермо-метра и наноактуатора Рабочие характеристики этих НЭМС рассчитаны с использованием расчетов из первых принципов и полуэмпирических расчетов Практическая значимость работы.
Теория адсорбции молекул на поверхности, модифицированной наличием нано-локальных дефектов (в том числе селекіивной адсорбции определенных молекул) може і быть использована для развития методов обнаружения малых количеств молекул (что важно для контроля за химическими производствами и мониторинга химического загрязнения окружающей среды) и методов разделения изомеров, и методов получения изображения на поверхности в результате самоорганизации поверхностных наноструктур
Уникальные свойства углеродных наноструктур (фуллеренов, наночастиц и нанотрубок) делают перспективным их использование в качестве элементов будущей наноэлетроники для получения новых наноматериалов, в том числе сверхтвердых и с
нелинейными опіическими свойствами, в качестве наполниіелей новых композитных материалов повышенной прочности, и в ряде друїих отраслей промышленности По этой причине исследование механизмов образования и роста углеродных наноструктур, важное для определения оптимальных условий синтеза при промышленном получении этих наноструктур, является очень актуальной задачей
Интенсивное развитие наномеханики в последнее десятилетие сделало возможным практическое изготовление НЭМС Исследование взаимодействия и относительного движения слоев углеродных нанотрубок дает важную информацию не только для разработки принципиальных схем и принципов работы НЭМС на основе нанотрубок, но гакже и для понимания принципиальных отличий относительного движения нанообъек-тов и динамического поведения наносистем от движения частей макроскопических механических систем В настоящей диссертации предложены принципиальные схемы трех НЭМС, основанных на взаимодействии и относительном движении слоев нанотрубок ианотермометр, нанореле и наноактуатор Бурное развитие методов нанотехнологии в настоящее время позволяет сделать вывод, что данные НЭМС могут быть изготовлены в ближайшем будущем
Основные научные положения, выносимые на защиту
1 Развиїа іеория и проведено моделирование адсорбции частиц на поверхности
с нанолокальными дефектами предназначенная для оценки эффективности применения
адсорбции на іакой поверхности в различных меюдах нанотехнологии
Показана возможность селективной адсорбции определенных молекул на нелокальных дефектах поверхности
2 С помощью моделирования методом молекулярной динамики показано, что
послойный механизм роста углеродных наночастиц с оболочечной структурой не может
быть реализован в тех условиях, в которых происходит образование этих наночастиц
Предложен единый механизм образования всех углеродных наноструктур с оболо-
ченой структурой — фуллеренов, наночастиц и нанотрубок сначала образуется жидкий или аморфный кластер а потом происходит отжиг оболочечной структуры
На основе анализа экспериментальных фактов сделан вывод что основной причиной преимущественного получения двух распространенных фуллеренов, Сио и С70, является отбор этих фуллеренов из смесп фуллеренов с помощью реакций поглощения и испускания молекулы Сг
Впервые проведено моделирование ориентационного плавления в слоистых углеродных наночастицах
Разработана классификация двухслойных углеродных нанотрубок (ДУНТ)
Развита теория, описывающая относительные диффузию и дрейф слоев углеродных нанотрубок вдоль винтовых линий, определяемых потенциальной энергией взаимодействия слоев Для НЭМС, основанных на движении слоев нанотрубок вдоль винтовых линий, определены режимы управления движением и способы приложения управляющей силы
С помощью полуэмпирических расчетов и расчетов из первых принципов определены барьеры для относительных вращения слоев и скольжения слоев вдоль оси для различных случаев ДУНТ Полученные величины барьеров использованы для расчета пороговых сил и коэффициэнтов диффузии для относительных вращения и скольжения слоев
Проанализированы структуры ДУНТ с локальными атомными дефектами, которые могут быть использованы в качестве пары "наноболт-наногайка" Для ДУНТ с различными типами дефектов рассчитаны барьеры и пороговые силы для относительного движения слоев вдоль "линии резьбы"и для срыва резьбы Обнаружено, что гип дефекта не влияет на качественные характеристики резьбы
Предложена концепция наноакіуаюра, основанного на углеродной наноїрубке и предназначенного для преобразования поступательной силы, направленной вдоль оси нанотрубки, в относительное вращение слоев Рассмотрены принципиальная схема
и принципы работы наноактуатора, а также проведены численные расчеты, демонстрирующие принципы работы наноактуатора
Предложена новая концепция и рассчитаны рабочие характеристики электромеханического нанотермометра, основанного на относительном движении компонентов наносистем Нанотермометр может применяться для точных измерений в пространственно локализованных областях размером в несколько сотен нанометров Измерения температуры проводятся путем измерений проводимости наноситемы при условии, что полная проводимость системы сильно зависит от температуры в результате относительных тепловых колебаний компонентов
Предложены принципиальные схемы нанореле, основанных на относительном движении слоев углеродных нанотубок Обсуждаются возможности использовать данное нанореле в качестве ячеек оперативной и памяти в зависимости от геометрических размеров и структуры слоев Рассчитано напряжение переключения между положениями "включено"и "выключено"
Апробация работы
Материалы диссертации докладывались и обсуждались на следующих конференциях Наномитинг, Минск, Беларусь, 1995, 2007, 2-ая, 3-я, 4-ая, 6-ая, 7-ая и 8-ая Международные конференции "Фуллерены и атомные кластеры", Санкт-Петербург, 1995, 1997, 1999, 2003, 2005, 2007, Всероссийская научная конференция фишка межфазных явлений и процессов взаимодействия потоков энергий с твердыми телами Нальчик, 1995, 7-ой международный симпозиум "Физика поверхности", Прага, Чехия, 1996, Всероссийское совещание "Физика кластеров", Пущино, 1997, 1999, 4-ый международный аэрозольный симпозиум Санкг-Пеіербург, 1998, национальный симпозиум "Новые направления в исследовании фуллеренов" Канпур, Индия, 1997, Международные конференции "Гига- и нано-вызовы в микроэлектронике", Москва 2002 Краков, Польша, 2004, Международная конференция "Нанотрубки и наноструктуры", Фраскатти Италия, 2003 , Международная конференция "Углеродные наночастицы в конденсирован-
ных средах" Минск, Беларусь,,2006, Международная,конференция "Тенденции нано-технологии", Гренобль, Франция, 2006
Основные результаты настоящей работы опубликованы в 32 статьях, список которых приведен в конце автореферата
Структура и объем диссертации
