Двустенные нанотрубки – это простейший случай многостенных. Они состоят из двух концентрических цилиндрических графеновых слоев с сильной ковалентной связью между атомами углерода внутри каждого слоя и слабым ван-дер-ваальсовым взаимодействием между слоями. С точки зрения наноэлектроники двустенные нанотрубки интересны тем, что они являются молекулярными аналогами коаксиальных кабелей. Электронное строение нехиральных двустенных нанотрубок было изучено в работе [10]. При этом учитывалась возможность туннельного обмена электронами между стенками. Отмечено, в частности, что межслоевое взаимодействие приводит к более сильному возмущению зонной структуры внутренней стенки по сравнению с внешней.
Существенный шаг в развитии метода ЛПЦВ сделан в работе [11], где реализован метод расчета электронных спектров хиральных нанотрубок. При этом учтены их винтовая и вращательная симметрия, благодаря чему резко повысилась сходимость электронных состояний в зависимости от числа базисных функций.
Один из способов химической модификации углеродных нанотрубок – допирование, т.е. замена некоторых атомов углерода на другие элементы. Методом ЛПЦВ электронные свойства углеродных нанотрубок, содержащих в качестве примеси замещения атомы N, B, O, исследованы в работе [12], а в работах [1, 2] рассчитаны дисперсионные кривые и плотности электронных состояний нанотрубок, интеркалированных переходными металлами.
Нанотрубки на основе гексагонального нитрида бора являются широкозонными материалами, ширина запрещенной зоны которых составляет 4,5 - 5,5 эВ и почти не зависит от их диаметра и хиральности [13]. В этом состоит существенное отличие бор-азотных нанотрубок от углеродных. Однако все это справедливо для идеальных нанотрубок – наличие дефектов упаковки, как показано в работах [14 - 16], может существенно изменить их физические свойства, иногда ограничивая, а в некоторых случаях – расширяя возможности их применения. Собственные примеси замещения, отвечающие присутствию атома бора в позиции азота BN или, наоборот, азота в позиции бора Nb, являются простейшими и наиболее важными дефектами, которые легко образуются в процессе синтеза нанотрубок. Показано, что присутствие таких дефектов оказывает существенное влияние на зонную структуру BN-нанотрубок. В области запрещенной зоны образуется полоса дефектов, приводящая к резкому уменьшению ширины запрещенной зоны. К сходному эффекту приводит и наличие изоэлектронных примесей, например, замещение некоторых атомов N на P или As.
Наши последние результаты связаны с разработкой подхода, который позволяет рассчитать электронную структуру нанотрубок с изолированными «точечными» дефектами. В зонной теории нанотрубок центральной задачей было нахождение волновых функции и собственных энергий как решений уравнения Шрёдингера. Поскольку в системе с одиночным точечным дефектом исчезает трансляционная симметрия, становится невозможно описание системы в терминах блоховских функций, целью теории становится прямой расчет плотности электронных состояний в окрестности дефектов с использованием формализма метода функций Грина в сочетании с методом ЛПЦВ [19].
Публикация [20] максимально полно отражает содержание всей лекции.
Работа выполнена в рамках ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009 – 2013 годы.
1. Дьячков П.Н., Кепп О.М., А.В. Николаев. // Докл. РАН. 1999. Т. 365, №2. С. 215.
2. Дьячков П.Н., Кирин Д.В. // Докл. РАН. 1999. Т. 369. №5. С. 639.
3. D’yachkov P.N., Kepp O.M. // Science and Application of Nanotubes, / Eds D. Tomanek and R.J. Enbody (Kluwer Academic / Plenum Publishers. New York, 2000), Р. 77.
4. D’yachkov P.N. and Kirin D.V. // Ital. Phys. Soc., Conf. Proc. 2000. V. 74. P. 203.
5. D’yachkov P.N. // Encyclopedia of Nanoscience and Nanotechnology, / Eds H.S. Nalwa. American Scientific Publishers, V. 1. P. 191, 2004.
6. D’yachkov P.N., Hermann H., and Kirin D.V. // Appl. Phys. Lett. 2002. V. 81. P. 5228.
7. D’yachkov P.N. and Hermann H. // J. Appl. Phys. 2004. V. 95. P. 399.
8. Дьячков П.Н., Макаев Д.В. // Докл. РАН. 2005, Т. 402, №6. С. 785.
9. D’yachkov P.N. and Makaev D.V. // Phys. Rev. B. 2005. V. 71. P. 081101(R).
10. D'yachkov P.N. and Makaev D.V. // Phys. Rev. B. 2006. V. 74. P. 1554428.
11. D'yachkov P.N. and Makaev D.V. // Phys. Rev. B. 2007. V. 76. P. 057743.
12. Никулкина А.В., Дьячков П.Н. // Журн. неорган. химии. 2004. Т. 49. 3. С. 481.
13. Кирин Д.В., Дьячков П.Н. // Докл. РАН. 2000. Т. 373, 3. С. 344.
14. Головачева А.Ю., Дьячков П.Н. // Письма в ЖЭТФ. 2005. Т. 82. С. 834.
15. Романов А.С., Макаев Д.В., Дьячков П.Н. // Письма в ЖЭТФ. 2008. Т. 87. №1. С. 56.
16. D’yachkov P.N. and Makaev D.V. // J. Phys. Chem. Solids. 70, 180 (2009).
17. Лисенко А.А., Дьячков П.Н. // Журн. неорган. химии. 2009. Т. 54 C. 1355.
18. Романов А.С., Лисенко А.А., Силенко П.М., Дьячков П.Н. // Письма в ЖЭТФ. 89, 658 (2009).
19. D'yachkov P.N., Kutlubatv D.Z, and Makaev D.V. // Phys. Rev. B. 2010. V. 82. P. 034526.
20. Дьячков П.Н. Электронная структура и применение нанотрубок. М.: Бином - Лаборатория знаний. 2010. 430 с.
Детонационные наноалмазы как новая углеродная структура для нанотехнологии
А.Я. Вуль
Физико-технический институт им.А.Ф.Иоффе РАН
alexandervul@mail.ioffe.ru
Развитие нанотехнологии требует производства дисперсных частиц материала с характерными размерами в единицы нанометров. Синтетические алмазные частицы, получаемые стандартным методом синтеза из графита позволяют получать алмазные кристаллы в диапазоне размеров от единиц до сотен микрометров. Детонационные наноалмазы (ДНА) имеют размеры кристаллического алмазного ядра около 4 нм. Они синтезируются при детонации сильных взрывчатых веществ в замкнутом объеме непосредственно из атомов углерода используемых взрывчатых веществ.
В докладе дан краткий обзор технологии, основных свойств и применений ДНА [1]
В силу хорошо известного свойства агрегации наноразмерных частиц в кластеры субмикронных размеров, вследствие высокой удельной поверхностной энергии, оказывается трудным выделить «первичные» 4 нм алмазные кластеры. Недавно был предложен эффективный метод получения стабильных водных суспензий 4 нм частиц путем размельчения ДНА агрегатов в шаровой мельнице с микроразмерными шарами двуокиси циркония. Однако в процессе такого размельчения на поверхности частицы образуется фуллереноподобная оболочка, которая объясняет необычно высокую вязкость и черный цвет суспензии [2].
Наряду с уже достаточно широким применением ДНА для финишного полирования и металл-наноалмазных покрытий, приготовления полимер-наноалмазные композиций, в последнее время все больше рассматриваются и другие возможности. К ним можно отнести: разработку композитов с высокой теплопроводностью для электронных приборов [3], полевых эмиттеров электронов [4], использование наноалмазов в качестве прекурсоров для роста CVD алмазных пленок [5], создание новых магнитных материалов и материалов для биомедицинских применений [6].
В докладе обсуждаются эти применения ДНА и анализируются их перспективы.
Vul’ A.Ya., Aleksenskiy A.. E., Dideykin A.. T. Detonation nanodiamonds: Technology, properties and applications. In: Nanosciences and Nanotechnologies, Eds. V. Kharkin, Chunli Bai, Sae-Chul Kim. Encyclopedia of Life Support Systems (EOLSS) UNESCO, EOLSS Publishers, Oxford, UK (http://www.eolss.net) (2009).
Eidelman, E.D., Siklitsky, V.I., Sharonova, L.V., Yagovkina, M.A., A. Ya Vul’, Takahashi, M., Inakuma, M., Ozawa, M., Ōsawa, E. A stable suspension of single ultrananocrystalline diamond particles. Diamond and Related Materials, 14, p.1765 (2005).
Kidalov S. V., Shakhov F. M.. Thermal Conductivity of Diamond Composites. Materials 2, 2467-2495 (2009).
Vul’ A. Reich K, Eidelman E. Terranova M.L., Ciorba A., , Orlanducci S., Sessa V., Rossi M. A Model of Field Emission from Carbon Nanotubes Decorated by Nanodiamonds. Advanced Science Letters, 3, 1–8 (2010).
Feoktistov N A, Golubev V G, Grudinkin S A, Perova T S, Moore R A, and Vul' A Y Optical properties of diamond films grown by MPCVD method with alternating nanodiamond injection Proc. SPIE 5824, 157 – 66 (2005).
Aleksenskiy A., Baidakova M., Osipov V., Vul’ A. The Fundamental Properties and Characteristics of Nanodiamonds. In: “Nanodiamonds: Applications in Biology and Nanoscale Medicine” Ed. Dean Ho. Spinger 2009.
ПОЛИМЕРНЫЕ НАНОПРОВОДА И КОМПОЗИТЫ ПОЛИМЕР-НЕОРГАНИЧЕСКИЕ НАНОЧАСТИЦЫ: ОТ КВАЗИ-1D К 0D СТРУКТУРАМ
А. Н. Алешин
Учреждение российской академии наук
Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе РАН
Проведен критический анализ недавних успехов в синтезе и результатов экспериментальных исследований электрических свойств различных полимерных нанопроводов и нанотрубок. Рассмотрена применимость различных теоретических моделей туннелирования в одномерных проводниках (прыжковая проводимость с переменной длиной прыжка, латтинжеровская жидкость (ЛЖ), вигнеровский кристалл и т.д.) для объяснения экспериментальных результатов, полученных для электронного транспорта в проводящих полимерных нанопроводах и нанотрубках [1, 2]. Обсуждаются имеющиеся корреляции между полученными экспериментальными результатами и квази-одномерной (1D) природой проводящих полимеров. Так, наблюдаемые для нанофибрил полиацетилена степенные зависимости G(T) T и I(V) V характерны для таких квази-1D систем, как несколько ЛЖ соединенных последовательно [1, 2]. Показано, что при низких температурах транспорт в таких системах определяется эффектами кулоновской блокады [3]. Дальнейшее понижение размерности системы приводит к 0D структурам – квантовым точкам. Создание новых материалов путем введения в полимерную матрицу полупроводниковых наночастиц – квантовых точек – является перспективной быстроразвивающейся областью органической наноэлектроники. Интеграция органических и неорганических материалов на наноуровне приводит к созданию гибридных оптоэлектронных структур позволяющих совместить разнообразие свойств и технологичность органических материалов с уникальными электронными и оптическими свойствами неорганических наночастиц [4]. Нами исследовалось влияние вида наночастиц (ZnO, Si и т.д.), их концентрации, а также эффект приложения внешнего электрического поля на характер фото- и электролюминесценции (ФЛ и ЭЛ) композитных пленок на основе производных PPV и PFO и полупроводниковых неорганических наночастиц [5 – 8]. Показано, что в отсутствии электрического поля спектры ФЛ композитных пленок имеют, как правило, два максимума в голубой (ZnO наночастицы) и зеленой-красной (полимер) спектральных областях. Обнаружен сдвиг максимума спектра ФЛ пленок MEH-PPV в коротковолновую область при увеличении концентрации наночастиц ZnO при одновременном гашении интенсивности ФЛ. Приложение внешнего электрического поля к планарным Au - Al электродам приводит к подавлению одного из этих пиков ФЛ и обратимо сдвигает максимум ФЛ в голубую (BEHP-co-MEH-PPV-ZnO) или красную (MEH-PPV-ZnO, PDPV-ZnO) спектральные области [5 – 7]. Процессы генерации возбужденных состояний в композитных пленках подразумевают наличие нескольких механизмов рекомбинации, включающих в себя формирование комплексов полимер-наночастицы, эксиплексных состояний на границе раздела и механизм переноса заряда между полимером и наночастицами, который может управляться приложением внешнего электрического поля. Полученные результаты показывают возможность изменения цвета излучения активного слоя органического светодиода путем изменения соотношения концентраций полимер-наночастицы и при приложении внешнего электрического поля. Проведен анализ перспективности применения полимерных нанофибрил в наноэлектронике в качестве нанопроводов, полевых нано транзисторов и наноэмиттеров и т.д. Обсуждается применение композитов на основе проводящих полимеров и неорганических наночастиц в качестве активных слоев органических светодиодов (включая белые светодиоды [5, 6]), а также полимерных светоизлучающих полевых транзисторов, солнечных элементов и ячеек памяти.
Работа выполнена при поддержке программы Президиума РАН №7, направление «Фундаментальные принципы создания и исследования новых веществ и материалов для молекулярной электроники и спинтроники».
1. A.N. Aleshin, Advanced Materials, 18 (2006) 17.
2. A.N. Aleshin, H.J. Lee, Y.W. Park, K. Akagi, Phys. Rev. Lett., 93 (2004) 196601.
3. A.N. Aleshin, H.J. Lee, S.H. Jhang, H.S. Kim, K. Akagi, Y.W. Park, Phys. Rev. B, 72 (2005) 153202.
4. S. Coe-Sullivan, W.-K. Woo, J.S. Steckel, et al., Org.Electronics, 4 (2003) 123.
5. A.N. Aleshin, I.P. Shcherbakov, E.L. Alexandrova, E.A. Lebedev, Solid State Commun., 146 (2008) 161.
6. A.N. Aleshin, E.L. Alexandrova, I.P. Shcherbakov, J.Phys.D:Appl.Phys., 42 (2009) 105108.
7. G.N. Panin, T.W. Kang, A.N. Aleshin, et al., Appl.Phys.Lett., 86 (2005) 113114.
8. A.N. Aleshin, I.P. Shcherbakov, J.Phys.D:Appl.Phys., 43 (2010) 315104.
Об организации производства объемных монокристаллов карбида кремния и эпитаксиальных структур на его основе для электронной компонентной базы нового поколения
Ю.М. Таиров
Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ»
Совместно с корпорацией «Роснано» подготовлен проект, направленный на организацию первого в России промышленного производства высокотехнологичной продукции в виде легированных низкоомных и высокоомных кристаллов-подложек SiC различных политипов с качеством поверхности, пригодным для эпитаксии нанослоевых композиций, в том числе, создание наноструктур на основе различных политипов карбида кремния и нитридов алюминия и галлия.
Проект разработан с учетом современных мировых тенденций развития рынка электронной компонентной базы для энергетики, информационно-коммуникационных систем, космических и ядерных объектов, военной техники и вооружения.
Реализация проекта позволит обеспечить технологическую независимость и конкурентоспособность России в стратегических и экономически эффективных областях за счет внедрения в промышленность новой номенклатуры широкозонных полупроводниковых материалов, на основе которых может быть реализована электронная компонентная база с ранее недостижимыми энергетическими, частотными, массогабаритными параметрами, режимами и условиями эксплуатации (высокие температуры, радиация, химически агрессивные среды).
Данный проект значительно расширит экспортный потенциал государства в производстве продукции с высоким уровнем интеллектуальной добавленной стоимости.
Научной базой для реализации проекта являются разработки научных сотрудников СПбГЭТУ, авторов большого числа патентов в области технологии карбида кремния и создателей основного современного метода выращивания монокристаллических слитков карбида кремния высокого структурного совершенства различных политипов с заданными электрофизическими свойствами.
У авторов проекта есть опыт организации промышленного производства полупроводникового карбида кремния на Подольском химико-металлургическом заводе в середине 80-х годов, а также электронной компонентной базы экстремальной электроники совместно с ОАО «Ангстрем».
|
