Свойства углеродных наноструктур и наноэлектромеханические системы на их основе тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.02 ВАК РФ

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК ИНСТИТУТ СПЕКТРОСКОПИИ

На правах рукописи

ПОПОВ Андрей Михайлович

СВОЙСТВА УГЛЕРОДНЫХ НАНОСТРУКТУР И

НАНОЭЛЕКТРОМЕХАЙИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ НА ИХ

ОСНОВЕ

а

специальность 01 04 02 — теоретическая физика

- АВТОРЕФЕРАТ

диссертаций на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Работа выполнена в Институте спектроскопии Российской Академии Наук

Научный руководитель :

заведующий лабораторией, Юрий Ефремович Лозовик

Официальные оппоненты доктор физико-математических наук

Георгий Алексеевич Виноградов (Институт биохимческой физики РАН)

кандидат физико-математических наук Александр Васильевич Ключник (Институт радиофизики РАН)

Ведущая организация-

Московский институт стали и сплавов (технический университет)

Защита состоится 18 октября 2007 г в 14 часов на заседании Диссертационного совета Д 002 014 01 при Институте спектроскопии РАН по адресу 142190 Московкая обл , г Троицк, Институт спектроскопии РАН

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института спектроскопии РАН

Автореферат разослан «_ _2007 года

Ученый секретарь Диссертационного совета, Профессор, ^" Л МН Попова

Доктор физико-математических наук

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

Последние десятилетия наблюдаемся значительный прогресс в развитии методов исследования физических свойств объектов со все меньшим пространственным разрешением Новые возможносхи 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 относи1ельным положением Теоретические исследования возможностей использования адсорбции частиц (в гом числе селективной адсорбции заданных частиц) на поверхности с искусс1вен-ными дефектами актуально для разработки новых методов создания поверхностных наноструктур и датчиков для обнаружения сверхмалых количеств заданных веществ

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

меиериалов

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.

1 Моделирование процесса адсорбции частиц на дефектах поверхности и анализ возможностей использования адсорбции часшц на искусгвенных дефеК1ах для разработки новых методов нанотехнологии

2 Объяснение фундаментальных физических процессов, приводящих к образованию нанообъектов, в частности, фуллеренов и наночастиц с оболочечной структурой

3 Исследование специфики фазовых переходов в наносистемах

4 Исследование взаимодействия и относительного движения слоев углеродных нанотрубок и разработка принципов работы и схем наноэлектромеханических систем, основанных на нанотрубках

Научная новизна

Предложены новые методы нажнехнодогии, 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 -f " ~ -t

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 селекиивной адсорбции определенных молекул) можел 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 (этническими свойствами, в качестве наполни юлой новых композитных материалов повышенной прочности, и в ряде друшх 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 также 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 Развиха 1еория и проведено моделирование адсорбции частиц на поверхности с нанолокальными дефектами предназначенная для оценки эффективности применения адсорбции на хакой 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 данотрубок сначала образуется жидкий или аморфный кластер а потом происходит отжиг оболочечной структуры

3 На основе анализа экспериментальных фактов сделан вывод что основной причиной преимущественного получения двух распространенных фуллеренов, Сад и О7О} является отбор этих фуллеренов из смесп фуллеренов с помощью реакций поглощения и испускания молекулы Сг

4 Впервые проведено моделирование ориентационного плавления в слоистых углеродных наночастицах

5 Разработана классификация двухслойных углеродных нанотрубок (ДУНТ)

6 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

7 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

8 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

9 Предложена концепция наноак1уашра, основанного на углеродной нанотрубке и предназначенного для преобразования поступательной силы, направленной вдоль оси нанотрубки, в ошосительное вращение слоев Рассмотрены принципиальная схема

и принципы работы наноактуатора, а также проведены численные расчеты, демонстрирующие принципы работы наноактуатора

10 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

11 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-Пехербург, 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

Материал диссертации изложен на 147 страницах машинописного текста, содержит 36 рисунков, 11 таблиц, библиографию из 139 наименований Диссертационная работа состоит из 5 глав, выводов, заключения и списка литературы Краткое содержание работы.

Первая глава посвящена обзору актуальных проблем нанофизики а также возможностям развития нанотехнологии, связанным с решением этих проблем Здесь обоснована актуальность, указаны цели работы обозначены задачи и методы их решения, показана практическая ценность результатов и сформулированы положения, выносимые на защиту

Вторая глава посвящена исследованию механизмов образования и роста углеродных наноструктур — фуллеренов, наночастиц и нанотрубок

Раздел 2 1 посвящен моделированию методом молекулярной динамики возможности роста углеродной наночастицы с оболочечной структурой в результате последовательного образования оболочек Показано что адсорбция атомов и микрокластеров углерода на поверхности наночастицы возможна только для температуры менее 200 К, что на порядок меньше, чем температура, необходимая для перестройки структуры, возникающей при адсорбции атомов и микрокластеров в структуру оболочки, аналогичной структуре слоя графита Таким образом, проведенное моделирование показывает, чю рост углеродной наночастицы с оболочечной структурой в результате последовательного образования слоев невозможен Альтернативным механизмом роста такой наночастицы является следующий сначала образуется жидкий или аморфный кластер, а потом происходит отжиг оболочечной структуры

В разделе 2 2 проведен анализ экспериментальных исследований механизмов образования и роста углеродных наноструктур — фуллеренов, наночастиц и нанотрубок В данном разделе проведено сравнение альтернативных механизмов образования этих наноструктур Показано, что единый для всех трех наноструктур механизм — образование жидкого или аморфного кластера с последующим образованием замкнутых оболочек в результате отжига в процессе затвердевания кластера существенно лучше объясняет экспериментальные факты, чем альтернативные механизмы — сборка из полициклических фрагментов для фуллеренов и механизм последовательного образования оболочек для наночастиц и нанотрубок

В разделе 2 3 проанализированы результаты экспериментов и теоретических расчетов, связанных с большой распостраненностью фуллеренов Сбо и С7() Сделан вывод, что большая распространенность этих фуллеренов является результатом реакций поглощения и испускания фуллеренами молекул Сг, которые происходят в смеси фуллеренов после их образования Этот вывод объясняет также тот факт, что только один изомер фуллеренов Сео и С70 образуется в больших количествах

Третья глава посвящена исследованию возможных применений адсорбции частиц на модифицированной поверхности в нанотехнологии

Раздел 3 1 посвящен теории адсорбции частиц (атомов или молекул) на поверхности с нанолокальными дефектами Данная теория предназначена для оценки "эффективности модификации "поверхности с нанотехнологическими целями путем создания на ней искусственных нанолокальных дефектов С этой целью введено два параметра эффективности модификации поверхности Первый параметр 7 соответсвует таким применениям в нанотехнологии когда необходимо увеличить среднюю концентрацию данных частиц по всей поверхности Этот параметр равен отношению концентрации частиц на модифицированной поверхности к их концентрации на поверхности без дефектов Второй параметр Г соответствует получению "изображения"на поверхности в результате самоорганизации адсорбированных на ней частиц Этот параметр равен отношению

концентрации частиц, адсорбированны^ца.нанодркальн^х дефектах к их концентрации на свободных от дефектов участках модифицированной поверхности

В этом разделе приведен подробный вывод аналитических выражений для введенных параметров 7 и Г эффективности модификации поверхности Эти выражения получены для двух крайних случаев адсорбции частиц на свободных от дефектов участках модифицированной поверхности прыжковой диффузии между положениями адсорбции и свободного движения частиц Выражения для обоих случаев для параметров 7 и Г получены с помощью двух разных подходов термодинамического подхода, в котором адсорбция частицы рассматривается как равновесная химическая реакция, и кинетического подхода, основанного на балансе обмена частицами между положениями адсорбции на дефектах и на свободных от дефектов участках модифицированной поверхности

Раздел 3 2 посвящен моделированию адсорбции атомов и молекул на модифицированной поверхности Модификация поверхности рассмотрена на примере поверхности графита с выемками, полученными удалением нескольких десятков атомов из первого или из первого и второго слоев графита С помощью полуэмпирических потенциалов для атома аргона и молекул ацетилена и бензола рассчитаны положения адсорбции в выемках различного размера, формы и глубины, соответствующие минимуму энергии адсорбции Обнаружено, что энергия адсорбции атома или молекулы в выемке существенно (в 1 5-2 0 раза) больше, чем энергия адсорбции этих же атомов и молекул на немодифицированной поверхности только в случае когда размер выемки точно соответствует размеру атома или молекулы Определены оптимальные выемки с максимальной энергией адсорбции Также обнаружено, что 1) энергия адсорбции в выемке с недостаточным для размещения атома или молекулы размером меньше энергии адсорбции на немодифицированной поверхности, 2) энергии адсорбции атомов и молекул в выемках одинакового размера глубиной один и два слоя графита примерно одинаковы Таким образом показана возможность селективной адсорбции определенных молекул на определенных дефектах

В разделе 3 3 описываются детали моделирования методом молекулярной динамики процесса локализации движущейся по поверхности частицы в выемку на этой поверхности при столкновении с выемкой на примере атома аргона, движущегося по поверхности графита В результате моделирования определено, что вероятности этой локализации для температур в диапазоне от 123 до 286 К составляют от 10 до 20 % для оптимальных выемок глубиной в один и два слоя графита Обнаружено, что вероятность локализации слегка возрастает с увеличением температуры Этот эффект объясняется тем, что выемка окружена потенциальным барьером высотой около 300 К, вероятность преодоления которого увеличивается с увеличением температуры Вероятности локализации, полученные в результате моделирования использованы для оценок величин параметров 7 и Г эффективности модификации поверхности Показано, что для рассмотренной пары адсорбаг-адсорбеш величина параметра -у достигает 1()2, а параметра Г — 104

В разделе 3 4 предложены возможные применения в нанотехнологии адсорбции частиц на поверхности, модифицированной наличием искусственных нанолокальных дефектов перенос изображения в результате самоорганизации адсорбированных частиц, использование селективной адсорбции в сенсорах и для разделения изомеров Частица, адсорбированная на искусственном дефекте, может играть роль центра нуклеации для образования на поверхности островка из адсорбированных частиц Поверхность модифицированная наличием нанолокальных дефектов, на которых происходит селективно адсорбция определенных молекул, может быть использована для создания химических сенсоров предназначенных для обнаружения Э1их молекул Селек1ивная адсорбция может быть использована также для разделения изомеров, например, для разделения циклических и линейных июмеров можеI бьиь использована поверхность с округлыми выемками, которые увеличивают энергии адсорбции циклических изомеров, но уменьшают энергию адсорбции линейных изомеров

В четвертой главе исследуется ориентационное плавление углеродной наночасти-цы Сбо@С24о с оболочечной структурой

В разделе 4 1 описываю гея подробности моделирования ориенгационного плавления наночастицы методом молекулярной динамики Показана адекватность потенциалов Ленарда-Джонса и Борна, использованных для описания взаимодействия атомов соседних оболочек и атомов принадлежащих одной оболочке, соответственно Дано описание структуры и формы оболочек использованных при моделировании Для адекватного исследования физического явления в численном эксперименте, осуществляемом с помощью моделирования методом молекулярной динамики, время численного эксперимента должно быть на порядки величины больше самого большого из всех характерных времен системы, связанных с исследуемым явлением При этом шаг по времени при интегрировании уравнений движения частиц должен быть на два порядка меньше самого малого из всех характерных времен системы При моделировании ориентационного плавления наночастицы методом молекулярной динамики следует учесть наличие в системе трех характерных времен, отличающихся на порядки величины В порядке возрастания этими характерными временами являются 1) время колебания атома внутри оболочки, 2) время относительного вращательного колебания оболочек, 3) характерное время изменения автокорреляционной функции угловой скорости для огноси гельного вращения оболочек В результате одновременное выполнение условий, описанных выше, приводит к большому числу шагов итерирования и, следовательно, нереально большому вычислительному времени Для преодоления этой трудности был предложен новый метод, который заключается в замене усреднения по времени усреднением по различным стартовым условиям численного эксперимента Подробности этого метода описаны в разделе 11

Раздел 4 2 посвящен расчету энергетических характеристик двухоболочечных на-ночастиц Сво@Сг40 Рассмотрены наночастицы с различными формами второй оболочки от сферической до формы, близкой к усеченному икосаэдру Построены потенциальные рельефы зависимости энергии взаимодействия оболочек от углов, описывающих их относительную ориентацию Обнаружено что для наночастиц с формой второй оболоч-

ки, близкой к усеченному икосаэдру, минимумы энергии взаимодейсвия оболочек соот-вествуют относительным ориентациям оболочек с совпадающими осями икосаэдральной симметрии Проведены расчеты барьеров для олносительного вращения оболочек нано-частиды при различных относительных ориентациях оболочек и различных ориентадиях оси вращения

В разделе 4 3 представлены результаты моделирования методом молекулярной динамики ориентационного плавления двухоболочечной наночастицы Сбо@С24о с формой второй оболочки близкой к усеченному икосаэдру Исследованы зависимости от температуры для следующих величин полной энергии наночастицы, частоты переориентации оболочек автокорреляционных функций угловых скоростей оболочек (см Рис 1), спектра вращательных колебаний оболочек (либронов) (см Рис 2), распределения углов Эйлера взаимной ориентации оболочек, реальных барьеров в энергии взаимодействия оболочек в моменты переориентации Показано, что ориентационное плавление наночастицы начинае!Ся при темпера!уре около 50 К

В разделе 4 4 предложено определение для температуры плавления наносистемы для случая, когда плавление имее! характер кроссовера и не сопровождается структурными переходами Для характеристики "степени расплавленности"таких систем, в которых в процессе потери порядка появляется диффузия, но не меняется структура системы, предложено использовать величину Кт = где vt — частота переходов

между эквивалентными минимумами потенциальной энергии системы a uit — частота иакого колебания сисгемы, при коюром движение частиц сисгемы направлено по пути перехода Температурой потери порядка (кроссовера) в рассматриваемых системах предлагае!ся счи!а!ь 1акую reMnepaiypy Тс при которой Km = 1 то есть половина соответствующих колебаний системы сопровождается переходом в эквивалентный минимум Определена температура Тс ~ 60 К ориентационного плавления двухоболочечной углеродной наночастицы С6о@С24о с формой второй оболочки близкой к усеченному икосаэдру

со, ps"1

Рис 1 Автокорреляционная функция F угловой скорости первой оболочки для различных температур Т, Т — 21 К — пунктирная линия Т = 36 К -тонкая линия и Т = 140 К — толстая линия, t — время в ps

Пятая глава посвящена исследованию взаимодействия и относительного движения слоев углеродных нанотрубок, описанию принципов работы и принципальных схем НЭМС, основанным на взаимодействии и движении таких слоев — нанотермометра, на-ноактуатора и нанореле, которое может быть использовано в качестве ячейки памяти — а также расчету рабочих характеристик данных НЭМС

Раздел 5 1 посвящен классификации ДУНТ с соизмеримыми слоями Предложенная классификация основана на понятии классов эквивалентности как совокупности всех слоев с индексами хиральности вида (kf, kg), где / и д — индексы хиральности класса, к — индекс диаметра слоя Все двухстенные нанотрубки с соизмеримыми слоями с индек-

1, рэ

Рис 2 Спектр либронов 2 для различных температур Т, Т = 21 К — пунктирная линия, Т = 36 К -^гонкая линия и Т = 140 К — толстая линия, ш — частота в ре-1

сами хиральности, соответственно, (fci.fi, к\д\) и (Агг/г, &2<?г)> гДе — целые числа, образуют семейство нанотрубок с разными радиусами, но с одинаковыми геометрическими параметрами — расстоянием между слоями, длиной элементарной ячейки нанотрубки, разницей углов хиральности слоев Рассчитаны геометрические параметры нанотрубок для ряда семейств Исследовано распределение различных типов нанотрубок с двумя соизмеримыми слоями по их радиусам

В разделе 5 2 построена теория, описывающая относительные диффузию и дрейф слоев углеродных нанотрубок вдоль винтовых линий, определяемых рельефом поверхности потенциальной энергии взаимодействия слоев ДУНТ (рельеф "типа резьбы") Для НЭМС, основанных на движении слоев нанотрубок вдоль винтовых линий, определены

режимы управления движением режим Фоккера-Планка, при котором относительное движение слоев ДУНТ в НЭМС является дрейфом, и режим точного управления с помощью внешних управляющих сил Показано, что в случае рельефа типа резьбы возможно движение слоев вдоль винтовой линии "резьбы" как для коаксиальных, гак и для тангенциальных сил, управляющих движением Предложено использовать это явление в НЭМС, предназначенных для преобразования коаксиальных сил во вращение слоев или сил, тангенциальных к слою нанотрубки в поступательное движение слоя вдоль оси нанотрубки

Раздел 5 3 посвящен расчету барьеров для относительных вращения слоев и скольжения слоев вдоль оси для различных случаев ДУНТ со слоями без дефектов Данные барьеры рассчитаны как с использованием полуэмпирического потенциала Леннарда-Джонса, так и с помощью теории функионала плотности Рассмотрено три случая ДУНТ с принципиально различными рельефами поверхности энергии взаимодействия слоев 1) с несоизмеримыми слоями, 2) с соизмеримыми нехиральными слоями, 3) с соизмеримыми слоями, из которых хотя бы один слой хиральный Показано, что для несоизмеримых слоев форма потенциального рельефа меняется существенным образом при небольшим изменением длины слоев Следовательно, такие ДУНТ не могут быть использованы в НЭМС Форма потенциального рельефа для ДУНТ с соизмеримыми нехиральными слоями позволяет использовать эти нанотрубки в НЭМС в качестве наноподшипников (5,5)@(10,10) ДУНТ может быть использована в качестве нанопод-шипника скольжения Большинство остальных ДУНТ с соизмеримыми нехиральными слоями имеют несовместимые вращательные симметрии слоев По этой причине барьер для относительного вращения слоев таких ДУНТ экстремально мал Такие ДУНТ могут быть использована в качестве наноподшипника вращения Предсказано ориекгаци-онное плавление таких ДУНТ Полученные величины барьеров ДУНТ с соизмеримыми нехиральными слоями использованы для расчета ряда физических величин пороговых сил, модулей сдвига, коэффициентов диффузии и частот относительных колебаний для

А В

+ч -а

+ч -ч

Рис 3 Принципиальные схемы наноактуатора А) со статором — внутренним слоем, В) со стаг тором — внешним слоем Фиксированный слой 1 — статор Слои 2 и 3, вращающиеся совместно, — ротор Стой 3 и 4 являются парой наноболт-наногайка Заряды на краях слоя 4 могут быть получены в результате химической адсорбции и служить для управления наноактуатором с помощью элскфичсскот моля

относительных вращения и скольжения слоев Обсуждаются возможности экспериментального измерения рассчитанных величин Показано, что в случае соизмеримых слоев из которых хотя бы один слой хиральный, рельеф потенциальной поверхности экстремально плоский вследствие несовместимости винтовых симметрий слоев

Раздел 5 4 посвящен исследованию взаимодействия слоев ДУНТ с локальными атомными дефектами Показано, что ДУНТ, у которых один слой хиральный, а в другом слое имеются периодически расположенные дефекты атомной структуры с периодом соизмеримым с длиной элементарной ячейки первого слоя, могут быть использованы в качестве пары "наноболт-наногайка" Для десятков ДУНТ с различными типами дефектов, вакансиями и замененными атомами, с использованием потенциала Леннарда-Джонса рассчитаны барьеры и пороговые силы для относительного движения слоев вдоль "линии резьбы"и для срыва резьбы Обнаружено, что рельеф поверхности энергии взаимодействия слоев определяется структурой слоя без дефектов При этом качественная характеристика резьбы — относительная глубина резьбы (которая определяется как отношение барьеров для срыва резьбы и для относительного движения слоев вдоль "линии резьбы") слабо зависит от типа дефекта Отобраны ДУНТ с наибольшей относительной глубиной резьбы

В разделе 5 5 рассмотрены принципиальная схема и принципы работы наноак-туатора, основанного на четырехслойной углеродной нанотрубке и предназначенного для преобразования поступательной силы, направленной вдоль оси нанотрубки в относительное вращение слоев (см Рис 3) В таком наноактуаторе слой 1 нанотрубки является статором и закреплен неподвижно Слои 1 и 2 представляют собой нанопод-шипник вращения (являются нехиральными соизмеримыми слоями с несовместимыми вращательными симметриями) Для адекватной работы наноактуатора желательно, чтобы относительное положение слоев 2 и 3 было фиксированным Относительное смещение слоев 2 и 3 вдоль оси нанотрубки будет предотвращено, если слой 3 будет нехиральным слоем, соизмеримым со слоем 2 Для предотвращения относительного вращения слоев 2 и 3 мы предлагаем создать в слое 3 дефекты атомной структуры Эти же дефекты, периодически расположенные в идентичных местах элементарных ячеек слоя 3, могут быть использованы для создания пары наноболт-наногайка из слоев 3 и 4 Такая пара служит для преобразования силы, приложенной к слою 4 и направленной вдоль оси нанотрубки, во вращение ротора В разделе 5 5 приведен осписок возможных нанотрубок, из которых может быть изготовлен наноактуатор Построено аналитическое описание принципов работы наноактуатора, которое определяет условия, при которых пара наноболт-наногайка на основе ДУНТ может быть использована в конструкции наноактуатора Рассчитаны рельефы поверхности энергии взаимодействия слоев таких пар наноболт-наногайка

В разделе 5 0 рассмотрены принципиальная схема и принципы работы нанореле, основанного на относительном движении слоев углеродной нанотрубки Возможные схемы нанореле показаны на Рис 4 В таких нанореле ДУНТ присоединена к электроду 3 Подвижный внутренний слой 1 этой ДУНТ телескопически выдвигается из внешнего слоя 2 под действием электростатической силы Ре и притягивается к электроду 4 ван-дер-ваальсовой силой Ра (включение нанореле) Внутренний слой втягивается обратно во внешний капилярной силой Р\у (выключение нанореле) Второй электрод может либо металлическим (см Рис 4А), либо также являтся однослойной углеродной нанотрубкой

А

Рис. 4: Схемы электромеханических нанорел^ па основе ДУНТ (в положении "включено"). А: вшюрсле со вторым плоским металлическим электродом. В: Щшореле со вторым электродом — углеродной папотруйкой. С' напороло с унранлякицнм электродом углеродной н&нотрубкой. 1 — подвижный внутренний слой. 2 — зафиксированный внешний слой, 3 и 4 — электроды. Б — пример устройства, памяти, изготовленной из ячеек на основе ДУНТ.

(см. Рис. 4В). Предложена также схема нанореле с третьим управляющем электродом, сделанным ИЗ однослойной углеродной нанотрубкй (см. Рис. 4С). Проведены расчеты, которые показывают, что н зависимости от длимы и структуры слоев ДУНТ, а также структуры второго электрода предложенные нанореле могут быть использованы в качестве ячеек оперативной или энергонезависимой памяти. Память, состоящая из таких Ячеек, показана на Рис. 4D. Сделаны оценки напряжения переключения из положения "0 r положение "1". Получен а зависимость времени жизни ячеек энергонезависимой памяти в положении " 1 "от длины слоен ДУНТ.

В раздел^ 5.7 предложена концепция электромеханического нанотермометра. Измерение температуры в предложенном папотермометре основано па измерении проводимости наноси ("[ем ы в случае, когда эта проводимость (существенным образом зависит от относительного положения объектов, составляющих наносистему, к субпаиометро-

вом масштабе и, следовательно, изменяется с ростом температуры в результате относительных тепловых колебаний этих нанобъектов Возможность реализации данной концепции рассмотрена на примере электромеханического нанотермометра основанного на (6,6)@(11,11) ДУНТ Сделаны оценки изменения проводимости ДУНТ в результате относительных тепловых колебаний слоев Расчет размеров нанотермометров, предназначенных для измерений температуры в различных условиях показывает, что их размеры составляют всего лишь десятки нанометров

В Заключении подводятся итоги проделанной работы, обсуждаются полученные результаты и рассматривается вопрос их практического применения

Основные результаты и выводы

1 Развита теория и проведены расчеты, которые показывают возможность селективной адсорбции определенных молекул на нелокальных дефектах поверхности

2 Методом молекулярной динамики проведено моделирование процесса локализации атома аргона, движущегося по поверхности графита, в выемку на этой повехности Обнаружено что для температур, на порядок меньших, чем энергия адсорбции атома в выемке, вероятность локализации атома при столкновении с выемкой увеличивается с ростом температуры Температурная зависимость вероятности локализации объясняется энергетическим барьером вокруг выемки

3 Исследовано влияние формы оболочек на возможность относительного вращения оболочек углеродных наночастиц Показано, что изменение формы оболочки от близкой к многограннику до сферической приводит к уменьшению барьера для ошоси-тельного вращения оболочек на порядки величины

5 Впервые показана возможность ориентационного плавления в углеродной на-ночастице с оболочечной структурой, а также исследован процесс этого плавления с помощью моделирования методом молекулярной динамики

6 Предложено определение для температуры плавления наносистемы для случая, когда плавление имеет характер кроссовера и не сопровождается структурными

переходами Новое определение использовано для оценки температуры ориентационно-го плавления двухоболочечной углеродной наночастицы

7 Проведено моделирование методом молекулярной динамики показывающее невозможность последовательного роста слоев углеродных наночастиц с оболочечной структурой в экспериментальных условиях их образования Предложен единый механизм образования фуллеренов, наночастиц и нанотрубок сначала образуется жидкий или аморфный кластер, а потом происходит отжиг оболочечной структуры

8 Построена классификация ДУНТ с соизмеримыми слоями в соответствие с которой все такие ДУНТ разделены на семейства с одинаковыми структурными пара-ме грами

9 Показано что для малых температур и малых сил приложенным к слоям относительные диффузию и дрейф слоев углеродных нанотрубок вдоль винтовых линий, определяемых потенциальной энергией взаимодействия слоев, описывается уравнением Фоккера-Планка Определены режимы управления движением и способы приложения управляющей силы для НЭМС основанных на движении слоев нанотрубок вдоль винтовой линии

10 Барьеры для относительного движения слоев ДУНТ рассчитаны из первых принципов, а также с помощью полуэмпирических потенциалов Полученные значения барьеров использованы для оценок коэффициентов диффузии и пороговых сил для относительного движения слоев Экспериментальные измерения рассчитанных величин могут быть использованы для проверки адекватности различных методов расчетов

11 Показано, что ДУНТ с соизмеримыми хиральными слоями, в одном из которых периодически расположены дефекты атомной структуры, могут быть парой наноболт-наногайка С помощью расчетов, основанных на полуэмпирических потенциалах отобраны ДУНТ, перспективные для использования в НЭМС в качестве пары наноболт-наногайка

12 Предложена принципиальная схема и рассмотрены принципы работы нано-

актуатора основанного на четырехслойной углеродной нанотрубке и предназначенного для преобразования поступательной силы, направленной вдоль оси Hanoi рубки в относительное вращение слоев Проведены расчеты, демонстрирующие возможность работы наноактуатора для определенной структуры слоев

13 Предложена концепция нанотермометра, основанная на изменение проводимости наносистемы в результате относительных хепловых колебаний компоненюв, составляющих наносистему Проведены расчеты, показывающие возможность реализации предложенной концепции для нанотермометра на основе ДУНТ с соизмеримыми нехи-ральными слоями

14 Предложены новые принципиальные схемы и рассчитаны рабочие характеристики нанореле, основанных на относительном движении слоев нанотрубок Рассмотрены условия, при которых данные нанореле могут быть использованы в качестве ячеек оперативной и энергонезависимой памяти

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах

1 Yu Е Lozovik, А М Popov, Carbon spherical nanoparticles possible foimation mechamsm, Phys Lett А 189, 127-130(1994)

2 Ю E Лозовик, А M Попов, Механизм образования углеродных наночастиц в электрической дуге, Теплофизика Высоких Температур, 33(4), 539-546(1995)

3 Yu Е Lozovik, А М Popov, V S Letokhov, Possibility of Selective Adsorption of Molecules on a Modified Surface, J Phys Chein , 99, 13480-13484(1995)

4 Yu E Lozovik, А M Popov, Formation Mechamsm of Nanoparticles m Are Discharge, Molecular Materials, 7, 89-92(1996)

5 Ю E Лозовик, А M Попов, Адсорбция частиц на поверхности с дефектами Журнал физической химии, 70(8), 1438-1442(1996)

6 Ю Е Лозовик, А М Попов, Образование углеродных наночастиц с оболочечной структурой Известия РАН, серия Физическая 60(9), 81-84(1996)

7 Ю Е Лозовик, А М Попов, Получение изображения с помощью самоорганизации кластеров, адсорбированных на модифицированной поверхности Известия РАН, серия Физическая 01(9), 1720-1727(1097)

8 Ю Е Лозовик, А М Попов, Механизмы роста многооболочечных и однооболо-чечных нанотрубок и конусов, Известия РАН, серия Физическая 61(9), 1711-1719(1997)

9 Ю Е Лозовик, А М Попов, Образование и рост углеродных наноструктур — фуллеренов, наночастиц, нанотрубок и конусов, Успехи физических наук, 167, 751-774(1997)

10 Yu Е Lozovik, А М Popov, Role of Reactions of Molecule C2 Insertion and Emission m Relative Abundances of Fullerenes and Their Isomers, Moleculai Materials 10, 83-86(1998)

11 Yu E Lozovik, AM Popov, "Formation of Fulleienes, Ошопч and Other Nanometer Size Carbon Clusters", in Physics of Clusters, eds G N Chuev and V D Lakhno (Woild Scientific Publishing, Singapore, 1998) 1-55

12 Yu E Lozovik, A M Popov, Theory, Simulation and Nanotechnology Application of Adsorption on the Surface with Defects, Surface Science 414(1-2), 57-67(1998)

13 Yu E Lozovik, A M Popov, Molecular Dynamics Simulation of Onentational Melting of Two-Shell Carbon Nanoparticle, Molecular Materials, 13, 213-216(2000)

14 Ю E Лозовик, A M Попов, Энергетические барьеры, термодинамические свойства и ориентационное плавление двухоболочечной углеродной наночастицы С60(н-С240, Известия РАН, серия Физическая, 64(8), 1475-1480(2000)

15 Yu Е Lozovik, А М Popov, Onentational Melting of Two-shell Carbon Nanoparticle Molecular Dynamics Study, Chemical Physics Letters, 328, 355-362(2000)

16 Ю E Лозовик, A M Попов, Термодинамические и структурные свойства и ориентационное плавление наночастицы Cgo@C24o Исследование методом молекулярной динамики, Физика твердого тела,44(1), 180-187 (2002)

17 Ю Е Лозовик, А М Попов, А В Беликов, Классификация двухслойных на-

нотрубок с соизмеримыми структурами слоев, Физика твердого гела 45(7) 1333-1338 (2003)

18 Yu Б Lozovik, А V Mmogin, А М Popov, Nanomashmes based on Carbon Nanotubes, Phys Lett A 313(1-2), 112-121(2003)

19 Yu E Lozovik, A V Mmogm, A M Popov, Possible Nanomachines Nanotube Walls as Movable Elements, Письма ЖЭТФ 77, 11 759-763(2003)

20 Yu E Lozovik, A M Popov, Nanomachines based on Carbon Nanotubes Walls Motion Operation Modes and Control Forces, Fullerenes, Nanotubes, and Caibon Nanostructures 12(1), 485-492 (2004)

21 A V Belikov, Yu E Lozovik, A G Nikolaev, A M Popov, Double-wall Carbon Nanotubes Classification and Barriers for Relative Motion of Walls Fullerenes, Nanotubes, and Carbon Nanostructures 12(1), 117-121 (2004)

22 A V Belikov, Yu E Lozovik, A G Nikolaev, A M Popov, Double-wall nanotubes classification and barriers to walls relative rotation, sliding and screwlike motion Chem Phys Lett 385(1-2), 72-78(2004)

23 Yu E Lozovik, A G Nikolaev, A M Popov, Atomic scale design of carbon nanotubes the way to produce bolt-and-nut pairs, Int J oi Nanotechnology 2(3) 255-270 (2005)

24 E Bichoutskaia, A M Popov, A El-Barbary, M I Heggie Yu E Lozovik, Ab initio study of relative motion of walls in carbon nanotubes, Phys Rev В 71(11) 113403-1-4 (2005)

25 Yu E Lozovik, A G Nikolaev, A M Popov, Bolt-and-nut pairs made from carbon nanotubes with artificial defects, Fullerene, Nanotubes, and Carbon Nanostructures, 14(2-3) 227-231(2006)

26 E Bichoutskaia, MI Heggie, Yu E Lozovik, A M Popov, Diffusion of walls in double-walled nanotubes, Fullerene, Nanotubes, and Carbon Nanostructures, 14(2-3) 215-220(2006)

27 E Bichoutskaia, M I Heggie, A M Popov, and Yu E Lozovik, Interwall interaction

and elastic properties of double-wall carbon nanotubes, Phys Rev В 73(4) 045435-1-9 (2006)

28 Ю E Лозовик, А Г Николаев, A M Попов Наноэлектромеханические системы, основанные на нанотрубках, ЖЭТФ 130(3) 516-533 (2006)

29 С С Кузнецов Ю Е Лозовик, А М Попов Наноактуатор, основанный на углеродной нанотрубке, Физика твердого тела, 49(5) 951-958 (2007)

30 AM Popov, Е Bichoutskaia, Yu Е Lozovik, Anton S Kulish, Nanoelectromechanical Systems Based on Multi-walled Nanotubes Nanothermometer, Nanoielay and Nanoactuatoi, Physica Status Solidi (a) 204(6) 1911-1917(2007)

31 E Bichoutskaia, A M Popov, Y E Lozovik, G S Ivanchenko, N G Lebedev, Electromechanical nanothermometer, Phys Lett A 366(4-5), 480-486 (2007)

32 Ю E Лозовик, A M Попов Свойства и нанотехнологические применения на-ногрубок, Успехи физических наук, 177, (в печати) (2007)

Подписано в печать 11 09 2007 г Формат 60x84/16 Печ л 1,5 Тираж 80 экз Заказ 0518

Издательство «Тровант» ЛР 071961 от 01 09 1999 г

Отпечатано с готового оригинал-макета

в типографии издательства «Тровант»

142191, г Троицк Московской обл, м-н «В», д 52

1 Введение

2 Образование углеродных наноструктур

2.1 Моделирование образования углеродных наночастиц.

2.2 Образование фуллеренов, наночастиц и наиотрубок

2.3 Отбор распространенных фуллеренов.

3 Адсорбция на поверхности с дефектами

3.1 Теория адсорбции на поверхности с дефектами.

3.2 Расчет энергии адсорбции частицы в выемке

3.3 Моделирование процесса адсорбции частицы в выемку.

3.4 Применение в нанотехнологии адсорбции частиц на поверхности с искусственными дефектами.

4 Ориентационное плавление углеродной наночастицы

4.1 Методика моделирования ориентационного плавления наночастицы.

4.2 Энергетические характеристики наночастицы

Сб0@С

4.3 Результаты моделирования ориентационного плавления наночастицы

4.4 Определение температуры ориентационного плавления наночастицы.

5 НЭМС на основе нанотрубок

5.1 Классификация нанотрубок с соизмеримыми слоями.

5.2 Диффузия и дрейф слоев нанотрубок.

5.3 Барьеры для относительного движения слоев нанотрубок.

5.4 Пара наноболт-наногайка на основе нанотрубки.

5.5 Наноактуатор на основе нанотрубки

5.6 Нанореле на основе нанотрубки.

5.7 Электромеханический панотермометр на основе нанотрубки

Благодарности

Последние десятилетия наблюдается значительный прогресс в развитии методов исследования физических свойств объектов со все меньшим пространственным разрешением. Новые возможности исследований привели к созданию повой отрасли технологии — на-нотехнологии, т.е. производству материалов и изделий, которые состоят из объектов с характерными размерами менее 100 нм, а также к развитию наноэлектроники и наноме-ханики, основанных на новых нанотехнологиях.

Тем не менее, несмотря на значительный практический прогресс, достигнутый в на-нотехнологии, 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, по 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 относительным положением. Теоретические исследования возможностей использования адсорбции частиц (в том числе селективной адсорбции заданных частиц) на поверхности с искусственными дефектами актуально для разработки новых методов создания поверхностных наноструктур и датчиков для обнаружения сверхмалых количеств заданных веществ.

В наносистемах (кластерах, наночастицах и т.д.) 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 материалов.

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 нанотруСжи перспективными для использования в нано-электромеханических 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.

В настоящей диссертации изложены результаты работы, которая была направлена на решение следующих фундаментальных и прикладных проблем физики наносистем:

1) Моделирование процесса адсорбции частиц на дефектах поверхности и анализ возможностей использования адсорбции частиц на искуственных дефектах для разработки новых методов нанотехнологии.

2) Объяснение фундаментальных физических процессов, приводящих к образованию нанообъектов, в частности, фуллеренов и наночастиц с оболочечной структурой.

3) Исследование специфики фазовых переходов в наносистемах.

4) Исследование взаимодействия и относительного движения слоев углеродных нанотрубок и разработка принципов работы и схем наноэлектромеханических систем, основанных на нанотрубках.

Следующие основные научные положения выносятся на защиту:

1. Развита теория и проведено моделирование адсорбции частиц на поверхности с на-нолокальными дефектами предназначенная для оценки эффективности применения адсорбции на та кой поверхности в различных методах нанотехнологии.

Показана возможность селективной адсорбции определенных молекул на налокальных 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 оболоченой структурой — фуллеренов, наночастиц и нанотрубок: сначала образуется жидкий или аморфный кластер, а потом происходит отжиг оболочечной структуры.

3. На основе анализа экспериментальных фактов сделан вывод, что основной причиной преимущественного получения двух распространенных фуллеренов, Сбо и ^70, является отбор этих фуллеренов из смеси фуллеренов с помощью реакций поглощения и испускания 8 молекулы Сг

4. Впервые проведено моделирование ориентационного плавления в слоистых углеродных наночастицах.

5. Разработана классификация двухслойных углеродных ыапотрубок (ДУНТ).

6. 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.

7. 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.

8. 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 тип дефекта не влияет на качественные характеристики резьбы.

9. Предложена концепция наноактуатора, основанного на углеродной нанотрубке и предназначенного для преобразования поступательной силы, направленной вдоль оси на-нотрубки, в относительное вращение слоев. Рассмотрены принципиальная схема и принципы работы наноактуатора, а также проведены численные расчеты, демонстрирующие принципы работы наноактуатора.

10. Предложена новая концепция и рассчитаны рабочие характеристики электромеханического нанотермометра, основанного на относительном движении компонентов на-носистем. Нанотермометр может применяться для точных измерений в пространственно локализованных областях размером в несколько сотен нанометров. Измерения температуры проводятся путем измереиий проводимости паноситемы при условии, что полная проводимость системы сильно зависит от температуры в результате относительных тепловых колебаний компонентов.

11. 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 11 включено "и "выключено".

Глава 2

Образование углеродных наноструктур

Открытие фуллеренов связано с интерпретацией следующего факта: при некоторых условиях абляции графита был получен масс-спектр, в котором пик, соответствующий Сбо, был в 40 раз больше, чем пики, соответствующие другим кластерам [115]. Для объяснения этого факта и было предложено существование стабильного кластера Сбо с формой усеченного икосаэдра, в котором все атомы располагаются на сферической поверхности в вершинах 12 правильных пятиугольников и 20 шестиугольников. Кластер с такой структурой был назван фуллереном. Исследования показали, что другие углеродные кластеры, состоящие из десятков атомов и образующиеся одновременно с фуллереном Ceo, также имеют похожую структуру с расположением атомов на сфероидальной поверхности в вершинах пятиугольников и шестиугольников. Одним из главных критериев адекватности модели образования фуллеренов является объяснение большей распространенности фуллерена Сбо по отношению к другим фуллеренам. Важнейшим достижением явилась разработка Кречмером, Хафманом и др. [114] метода получения фуллерена Сбо в макроскопических количествах с помощью испарения графитовых стержней в дуговом разряде. В дальнейшем, были предложены другие методы получения фуллеренов, множество экспериментов было посвящено исследованию условий и процессов при образовании фуллеренов. По мере получения новых экспериментальных фактов предлагались новые модели образования фуллеренов, объясняющие эти факты. Однако в этом вопросе до сих пор не достигнуто ясности. В настоящей главе мы анализируем модели образования фуллеренов, а также углеродных наночастиц и нанотрубок с со структурой вложенных графитовых слоев в рамках единого механизма. Мы рассматриваем, главным образом, образование фуллеренов в углеродной плазме, и почти не касаемся альтернативных возможностей получения фуллеренов (например в результате реакций между углеводородами).

Заключение

В заключении перечислим кратко основные результаты, представленные в диссертации.

1. Развита теория и проведены расчеты, которые показывают возможность селективной адсорбции определенных молекул на налокальных дефектах поверхности.

2. Методом молекулярной динамики проведено моделирование процесса локализации атома аргона, движущегося по поверхности графита, в выемку на этой повехности. Обнаружено что для температур, на порядок меньших, чем энергия адсорбции атома в выемке, вероятность локализации атома при столкновении с выемкой увеличивается с ростом температуры. Температурная зависимость вероятности локализации объясняется энергетическим барьером вокруг выемки.

3. Исследовано влияние формы оболочек на возможность относительного вращения оболочек углеродных наночастиц. Показано, что изменение формы оболочки от близкой к многограннику до сферической приводит к уменьшению барьера для относительного вращения оболочек на порядки величины.

5. Впервые показана возможность ориентационного плавления в углеродной наноча-стице с оболочечной структурой, а также исследован процесс этого плавления с помощью моделирования методом молекулярной динамики.

6. Предложено определение для температуры плавления наносистемы для случая, когда плавление имеет характер кроссовера и не сопровождается структурными переходами. Новое определение использовано для оценки температуры ориентационного плавления двухоболочечной углеродной напочастицы.

7. Проведено моделирование методом молекулярной динамики, показывающее невозможность последовательного роста слоев углеродных наночастиц с оболочечной структурой в экспериментальных условиях их образования. Предложен единый механизм образования фуллерепов, наночастиц и наиотрубок: сначала образуется жидкий или аморфный кластер, а потом происходит отжиг оболочечной структуры.

8. Построена классификация ДУНТ с соизмеримыми слоями, в соответствие с которой все такие ДУНТ разделены на семейства с одинаковыми структурными параметрами.

9. Показано, что для малых температур и малых сил, приложенным к слоям, относительные диффузию и дрейф слоев углеродных нанотрубок вдоль винтовых линий, опредеч ляемых потенциальной энергией взаимодействия слоев, описывается уравнением Фоккера-Планка. Определены режимы управления движением и способы приложения управляющей силы для НЭМС, основанных на движении слоев нанотрубок вдоль винтовой линии.

10. Барьеры для относительного движения слоев ДУНТ рассчитаны из первых принципов, а также с помощью полуэмпирических потенциалов. Полученные значения барьеров использованы для оценок коэффициентов диффузии и пороговых сил для относительного движения слоев. Экспериментальные измерения рассчитанных величин могут быть использованы для проверки адекватности различных методов расчетов.

11. Показано, что ДУНТ с соизмеримыми хиральными слоями, в одном из которых периодически расположены дефекты атомной структуры, могут быть парой наноболт-наногайка. С помощью расчетов, основанных на полуэмпирических потенциалах отобраны ДУНТ, перспективные для использования в НЭМС в качестве пары наноболт-наногайка.

12. Предложена принципиальная схема и рассмотрены принципы работы наноактуато-ра, основанного на четырехслойной углеродной нанотрубке и предназначенного для преобразования поступательной силы, направленной вдоль оси нанотрубки, в относительное вращение слоев. Проведены расчеты, демонстрирующие возможность работы наноактуа-тора для определенной структуры слоев.

13. Предложена концепция нанотермометра, основанная на изменение проводимости наносистемы в результате относительных тепловых колебаний компонентов, составляющих наносистсму. Проведены расчеты, показывающие возможность реализации предложенной концепции для нанотермометра на основе ДУНТ с соизмеримыми нехиральными слоями.

14. Предложены новые принципиальные схемы и рассчитаны рабочие характеристики нанореле, основанных на относительном движении слоев нанотрубок. Рассмотрены условия, при которых данные нанореле могут быть использованы в качестве ячеек оперативной и энергонезависимой памяти.

Обсудим возможности практического применения полученных результатов. Теория адсорбции молекул на поверхности, модифицированной наличием нанолокальпых дефектов в том числе селективной адсорбции определенных молекул) может 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 нанотру-бок) делают перспективным их использование в качестве элементов будущей наноэлетро-ники, для получения новых ианоматериалов, в том числе сверхтвердых и с нелинейными оптическими свойствами, в качестве наполнителей новых композитных материалов повышенной прочности, и в ряде других 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 также и для понимания принципиальных отличий относительного движения нанообъектов 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: нанотермометр, нанореле и наноактуатор. Бурное развитие методов нанотехнологии в настоящее время позволяет сделать вывод, что данные НЭМС могут быть изготовлены в ближайшем будущем.

Благодарности

В заключение автор выражает особую благодарность моему научному руководителю Юрию Ефремовичу Лозовику за постановку задачи, научное руководство и постоянный контроль; а так же моральную поддержку и взаимопонимание, которые создавали творческие условия для работы.

Часть работы была выполнена в сотрудничестве с университетами г. Брайтона, и г. Кембриджа, Великобритания, а также Волгоградского государственного университета. Автор благодарит профессора М. Хсггие, профессора Н.Г. Лебедева, доктора Е. Бичут-скую, Г.С. Иванченко, A.B. Миногина, A.B. Беликова, А.Г. Николаева, С.С. Кузнецова и A.C. Кулиша за интересное и плодотворное сотрудничество.

1. Бедапов, В.М. О модифицированном критерии Линдемана для двухмерного плавления /В.М. Беданов, Г.В. Гадяк, Ю.Е. Лозовик // ФТТ. 1985. - Т. 27. - С. 2207.

2. Гуфрейн, Н.С. Вычисление повышения энергии адсорбции в порах молекулярных размеров для модельного случая неспецифической иелокализованной адсорбции /Н.С. Гуфрейн, Д.Р.Добытчин, Л.С.Конленко // ЖФХ. 1970. -Т. 44. - С. 741.

3. Елецкий A.B. Кластер Сбо — новая форма углерода / A.B. Елецкий, Б.М. Смирнов // УФН. 1991. - Т. 161. - С. 173.

4. Иванеченко, Г. С. Проводимость двухслойных нанотрубок в рамках модели Хаббарда /Г.С. Иванеченко, Н.Г.'Лебедев // ФТТ. 2007. - Т. 49. - С. 183.

5. Лозовик, Ю.Е. Ионные и электронные кластеры /Ю.Е. Лозовик // УФН. — 1987. — Т. 153. С. 356.

6. У. Лозовик Ю.Е. Термодинамические и структурные свойства и ориентационное плавление наночастицы С60@С24о- Исследование методом молекулярной динамики, /Ю.Е.

7. Лозовик, A.M. Попов, A.B. Беликов // ФТТ. 2002. - Т. 44. - С. 180.139

8. Жижин, Г.Н. Спектроскопические проявления фазовых переходов в кристаллическом циклопентане /Г.Н. Жижин, Ю.Е. Лозовик, М.А. Москалова и др. // ДАН. — 1970. Т. 190. - Р. 301.

9. Abraham, F.F. Melting transition of submonolayer xenon, krypton, and argon films on graphite — a computer-simulation study /F.F. Abraham // Phys. Rev. B. — 1983. — Vol. 28. P. 7338.

10. Abraham.son, J. Energies of graphite / J. Abrahamson // Carbon. — 1973. — Vol. 11. — P. 337.

11. Abrahamson, J. Graphite sublimation temperatures, carbon arcs and crystalline erosion /J. Abrahamson // Carbon. 1974. - Vol. 12. - P. 111.

12. Adams, G.B. Jahn-teller distortions in solid C20 and other fullerene structures /G.B. Adams, O.F. Sankey, J.B. Page et al. // Chem. Phys. 1993. - Vol. 176. - P. 61.

13. Ahn, Y.O. Defect-induced nucleation of sputter-deposited gold on graphite /Y.O. Ahn, M. Seidl // J. of Appl. Phys. ~ 1995. Vol. 77. - P. 5558.

14. Ajiayan, P.M. Distribution of pentagons and shapes in carbon nanotubes and nanoparticles /P.M. Ajiayan, T. Ichihashi, S. Iijima // Chem. Phys. Lett. 1993. - Vol. 202. - P. 384.

15. Albrecht, T.R. Nanometer-scale hole formation on graphite using a scanning tunneling microscope /T.R. Albrecht, M.M. Dovek, M.D.

16. Anderson,P. J. Heats of argon adsorption on microporous magnesium oxide powders /P.J. Anderson, R.F. Horlock // Trans. Faraday Soc. 1969. - Vol. 65. - P. 251.

17. Astakhova, T. Yu. International Workshop Fullerenes and Atomic Clusters, Abstracts s of Invited Lectures and Contributed Papers /T.Yu. Astakhova, Sh.A. Shaginyan, G.A.

18. Vinogradov. — St.Petersburg, Russia, 1995. —P. 80.

19. Baum, R.M. Ideas on soot formation spark controversy /R.M. Baum // Chem. and Eng. News. 1990. - Vol. 68. - P. 30.

20. Becker, R.S. Atomic-scale surface modifications using a tunneling microscope /R.S. Becker, J.A. Golovchenko, B.S. Swartzentruber // Nature. 1987. - Vol. 325. - P. 419.

21. Bedanov, V.M. Ordering and phase- transitions of charged-particles in a classical finite 2-dimensional system /V.M. Bedanov, F.M. Peeters // Phys. Rev. B. — 1994. Vol. 49. - P. 2667.

22. Benedict L.X. Microscopic determination of the interlayer binding energy in graphite /L.X. Benedict, N.G. Chopra, M.L. Cohen // Chem. Phys. Lett. 1998. - Vol. 286. - P. 490.

23. Beton, P.H. Manipulation of Ceo molecules on a si surface /Р.Н. Beton, A.W. Dunn, P. Moriarty // Appl. Phys. Lett. 1995. - Vol. 67. - P. 075.1. Литература 142

24. Borrmann, P. Classification of phase transitions in small systems /Р. Borrmann, O. Mulken, J. Hurting // Phys. Rev. Lett. 2000. - Vol. 84. - P. 3511.

25. Briddon P.R. LDA calculations using a basis of Gaussian orbitals/P.R. Briddon, R. Jones 11 Phys. Stat. Sol. 2000. - Vol. 217. - P. 131.

26. Broyer, M. Experimental studies on the formation process of Сбо /М. Broyer, A.Goeres, M. Pellarin et al. // Chem. Phys. Lett. 1992. - Vol. 198. - P. 128.

27. Burian A. Burian Structural studies of multiwall carbon nanotubes by neutron diffraction /А. Burian, J.C. Dore, H.E. Fisher et al. // Phys. Rev. B. 1999. Vol. 59. - P. 1665.

28. Chelikowsky, J. R. Nucleation of C6o clusters /J.R. Chelikowsky // Phys. Rev. Lett. — 1992. Vol.67. - P. 2970.

29. Chelikowsky, J. R. Formation of Сбо clusters via langevin molccular-dynamics /G.R. Chelikowsky // Phys. Rev. B. 1992. - Vol. 45. - P. 12062.

30. Chen, Z. Y. Reaction channels in a plasma reactor laser vaporization source — formation of carbon clusters and metal-carbon clusters /Z.Y. Chen, B.C. Guo, B.D. May et al. // Chem. Phys. Lett. 1992. - Vol. 198. - P. 118.

31. Chen, L. Y. Diffusion and vibration of adatoms on a solid-surface /L.Y. Chen, S.C. Ying // Phys. Rev. Lett. 1993. - Vol. 71. - P. 4361.

32. Clark, A. Theory of Adsorption and Catalysis / A. Clark. — Academic Press, New York, 1970.54| Crawford, B.L. The planar vibrations of benzene /B.L. Crawford, F.A. Miller // ./. Chem. Phys. 1949. - Vol. 17. - P. 249.

33. Creasy, W.R. Large carbon cluster ion formation by laser ablation of polyimide and graphite /W.R. Creasy, J.T. Brenna // Chem. Phys. 1988. - Vol.126. - P. 453.

34. Curl, R.F. On the formation of the fullerenes philosophical transactions of the royal society of london series a- mathematical /R.F. Curl // Phil. Trans. R. Soc. bond. A. — 1993. — Vol. 343. P. 19.

35. Damnjanovic M. Full symmetry, optical activity, and potentials of single-wall and multiwall nanotubes /М. Damnjanovic, I. Milosevic, T. Vukovic et al. // Phys. Rev. B. — 1999. — Vol. 60. P. 2728.

36. Damnjanovic M. Super-slippery carbon nanotubes — Symmetry breaking breaks friction /М. Damnjanovic, T. Vukovic, I. Milosevic // Eur. Phys. J. B. 2002. - Vol. 25. - P. 131.

37. David, W.I.F. Crystal-structure and bonding of ordered C-60 /W.I.F. David, R.M. Ibberson, J.C. Matthewman et al. // Nature. 1991. - Vol. 353. - P. 147.

38. Dias, J.R. Benzenoids to fullerenes and the circumscribing algorithm /J.R. Dias // Cherri. Phys. Lett. 1993. - Vol. 209. - P. 439.

39. Ebbesen, T. W. The mechanistics of fullerene formation /T.W. Ebbcsen, J. Tabuchi, K. Tanigaki // Chern. Phys. Lett 1992. - Vol 191. - P. 336.

40. Ebbesen, T. W. Large-scale synthesis of carbon nanotubes /T.W. Ebbesen, P.M. Ajayan // Nature. 1992. - Vol. 358. - P. 220.1. Литература 145

41. G9| Ebert, L.B. Is soot composed predominantly of carbon clusters? /L.B. Ebert. // Science. 1989. - Vol 247. - P. 1468.

42. Ehbrecht, M. C02-laser-driven production of carbon clusters and fullerenes from the gas . phase /М. Ebrecht, M. Faerber, F. Rohmund et al. // Chem. Phys. Lett. — 1993. Vol.214. P. 34.

43. Eggen, B.R. Autocatalysis during fullerene growth /B.R. Eggen, M.I. Heggie, G. Jungnickel et al. // Science. 1996. - Vol. 272. - P. 87.

44. Eigler, D.M. Positioning single atoms with a scanning tunneling microscope /D.M. Eiglcr, E.K. Schweizer // Nature. 1990. - Vol. 344. - P. 525.

45. El-Hami K. Organo-halogen uses for controlled cutting of carbon nanotubes /К. El-Hami, K. Mitsushige, // Int. Journ. of Nanoscience. 2003. — Vol. 2. — P. 125.

46. Ellis D.E. Modeling of copper-carbon solid solutions/D.E. Ellis, K.C. Mundimb, D. Fuksb // Mater. Sc. in Semicond. Processing. — 2000. — Vol. 3. — P. 123.

47. Endo, M. Formation of carbon nanofibers /М. Endo, H.W. Kroto J. // Phys. Chem. — 1992. Vol. 96. - P. 6941.

48. Engelke, F. Molecular electronics — observation of molecular rectification /F, Engelke, J.H. Hahn, W. Henke et al. // Anal. Chem. 1987. - Vol. 59. - P. 909.

49. Fennimore A.M. Rotational actuators based on carbon nanotubes /A.M. Fennimore, T.D. Yuzvinsky, W.Q. Han et al. // Nature. 2003. - Vol. 424. - P. 408.

50. Forro L. Beyond gedanken experiment /L. Forro // Science. — 2000. — Vol. 289. — P. 5479.

51. Ge, M. Scanning-tunneling-microscopy of vapor- phase grown nanotubes of carbon /М. Ge, K. Sattler // J. Phys. Chem. Solids. 1993. - Vol. 54. - P. 1871.

52. Girifalco L.A. Carbon nanotubes, buckyballs, ropes, and a universal graphitic potential /L.A. Girifalco, M. Hodak, R.S. Lee 11 Phys. Rev. 2000. - Vol. 62. - P. 13104.

53. Goeres, A. On the nucleation mechanism of the effective fullerite condensation /А. Goeres, E. Sedlmayer // Chem. Phys. Lett. 1991. - Vol. 184. - P. 310.

54. Grace, I.M. Electron transport in carbon nanotube shuttles and telescopes /1.М. Grace, S.W. Bailey, C.J. Lambert // Phys. Rev. B. 2004. - Vol. 70. - P. 153405.

55. Gregg, S.J. Adsorption, Surface Areas and Porosity / S.J. Gregg, K.S.W. Sing. — Academic s Press, New York, 1982.

56. Gulseren 0. /0. Gulseren, T. Yildirim, S. Liraci // Phys. Rev. B. 2002. - Vol. 65. -P. 153405.

57. Guo, T. Uranium stabilization of C28 — a tetravalent fullerene /Т. Guo, M.D. Diener, Y.Chai et al. // Science. 1992. - Vol. 257. - P. 1661.

58. Hahn, M. Y. Magic numbers in C+ and C~ abundance distribution /M.Y. Hahn, E.C. Honea, A.J. Paguia et al. // Chem. Phys. Lett. 1987. - Vol. 130. - P. 12.

59. Heath, J.R. Lanthanum complexes of spheroidal carbon shells /J.R. Heath, S.C. O'Brien, O.L. Zhang et.al. // J. Am. Chem. Soc. 1985. - Vol. 107. - P. 7779.

60. Heath J.R. / Fullerenes: Synthesis, Properties and Chemistry of Large Carbon Clusters /J.R. Heath. — American Chemical Society, Washington, 1991. —P. 1-23.

61. Helden, G. Do small fullerenes exist only on the computer — experimental results on C^ and Ca/" /G. Helden, M.T. Hsu, N.G. Gotts et al. // Chem. Phys. Lett. 1993. - Vol. 204. - P. 15.

62. Howard, J.B. Fullerenes C60 and C70 in flames /J.B. Howard, J.T. Mckinnon, Y. Makarovsky et al. // Nature. 1991. - Vol.352. - P. 149.

63. Huira, H. Role of sp(3) defect structures in graphite and carbon nanotubes /H. Huira, T.W. Ebbesen, J. Fujita et al. // Nature. 1994. - Vol. 367. - P. 148.

64. Iijima, S. Direct observation of the tetrahedral bonding in graphitized carbon-black by , high-resolution elcctron-microscopy /S. Iijima //J. Crystal Growth. — 1980. — Vol. 50. —1. P. 675.

65. Iijima, S. The 60-carbon cluster has been revealed /S. Iijima J. // Phys. Chem. — 1987. Vol. 91. - P. 3466.

66. Iijima S. /S. Iijima // Nature. 1991. - Vol. 345. - P. 6348.

67. Iijima, S. Growth-model for carbon nanotubes /S. Iijima, P.M. Ajayan, T. Ichihachi // Phys. Rev. Lett. 1992. - Vol. 69. - P. 3100.

68. Jellinek, J. Solid-iiquid phase changes in simulated isoenergetic Аггз /J. Jellinek, T.L. Beck, R.S. Berry // J. Chem. Phys. 1980. - Vol. 84. - P. 2783.

69. Jiang, Q. /Q. Jiang, H. Xia, Z. Zhang et al. // Chem.Phys.Lett. 1992. - Vol. 191. -P. 197.

70. Jing, X. Nucleation of carbon clusters via an accretion model /X. Jing, J. R. Chelikowsky 11 Phys. Rev. B. 1992. - Vol.46. - P. 5028.

71. King, A.D. Thermal desorption from metal- surfaces /A.D. King // Surf. Sei. — 1975. — Vol. 47. P. 384.

72. Kis A. /A.Kis, K. Yensen, S.Aloni et al. // Phys. Rev. Lett. 2006. - Vol. 97. - P. 025501.

73. Kolmogorov A.N. Smoothest bearings: Interlaycr sliding in multiwallcd carbon nanotubes /A.N. Kolmogorov, V.H. Crespi// Phys. Rev. Lett. 2000. - Vol. 85. - P. 4727 .

74. Kong J. Q-chem 2.0: A high-performance ab initio electronic structure program package/J. Kong, C. A. White, A. I. Krylov // J. Comput. Chem. 2000. - Vol. 21. - P. 1532.

75. Koprinapov, N. Nanocarbons formed under ac arc- discharge /N. Koprinapov, M Marinov, G. Pchelerov et.al. // J. Phys. Chem. 1995. - Vol. 99. - P. 2042.

76. Kratschmer, W. Solid Сбо — a new form of carbon /W. Kratschmer, L.D. Lamb, K. Fostiroupolos et al. // Nature. 1990. - Vol. 347. - P. 354.

77. Kroto, H.W. C60 buckminsterfullerene /H.W. Kroto, J.R. Heath, S.C. O'Brien et al. // Nature. - 1985. - Vol. 318. - P. 162.

78. Kwon, Y.K. Effect of intertube coupling on the electronic structure of carbon nanotube ropes /Y.K. Kwon, D. Tomanek // Phys. Rev. B. 1998. - Vol. 58. - P. R16001.

79. Kwon, Y.K. Orientational melting in carbon nanotube ropes /Y.K. Kwon, D. Tomanek // Phys. Rev. Lett. 2000. - Vol. 84. - P. 1483.

80. Li J.-Y/J.-Y. Li, J. Bernholc // Phys. Rev. B. 1993. - Vol. 47. - P. 1708.

81. Lozovik, Yu.E. Coulomb clusters in a trap /Yu.E. Lozovik, V.A. Mandelshtam // Phys. Lett. A. 1990. - Vol. 145. - P. 269.

82. Lozovik, Yu.E. Carbon spheric nanoparticles — possible formation mechanism /Yu.E. Lozovik, A.M. Popov // Phys. Let. A. 1994. - Vol. 189. - P. 127.

83. Lozovik, Yu.E. The possibility of nanolocal reactions on surfaces /Yu.E. Lozovik, S.P. Merkulova, S.K. Sekatskii et al. // Phys. Lett. A. 1994. - Vol. 189. - P. 131.

84. Lozovik, Yu.E. The Molecular Desing: a Formation of Fullcrenes, Spheric Nanoparticles and Nanotubes /Yu.E. Lozovik, A.M. Popov // Phys. Low-Dim. Str. — 1994. — Vol. 6. — P. 33.

85. Lozovik, Yu.E. Properties of two-dimensional dusty plasma clusters /Yu.E. Lozovik, E.A. Rakoch // Phys. Lett. A. 1997. - Vol. 235. - P. 55.

86. Lozovik, Yu.E. Orientational melting of carbon nanoparticles with shell structure /Yu.E. Lozovik, A.M. Popov // Physics of Low-Dim. Struct. 1997. - Vol. 8/9. - P. 63.

87. Lozovik Yu.E. Orientational melting of two-shell carbon nanoparticles: molecular dynamics study /Yu.E. Lozovik, A.M. Popov // Chem. Phys. Lett. — 2000. Vol. 328.- P. 355.

88. Lozovik Yu.E. Nanomachines based on carbon nanotubes/Yu.E. Lozovik, A.V. Minogin, A.M. Popov // Phys. Lett. A. 2003. - Vol. 313. - P. 112.

89. Lozovik Yu.E. Possible nanomachincs: Nanotube walls as movable elements /Yu.E. Lozovik, A.V. Minogin, A.M. Popov // JETP Letters. 2003. - Vol. 77. - P. 631.

90. Lozovik Yu.E. /Yu. E. Lozovik, A. M. Popov // Fullerenes, Nanotubes and Carbon Nanostructures. 2004. - Vol. 12. - P. 485.

91. Lozovik Yu.E. Atomic scale design of carbon nanotubes: the way to produce bolt-and-nut pairs /Yu.E. Lozovik, A.G. Nikolaev, A.M. Popov // Int. J. of Nanotechnology. — 2005.- Vol. 2. P. 255.

92. Lu, J.P. The shape of large single-shell and multiple-shell fullerenes /J.P. Lu, W. Yang // Phys. Rev. B. 1994. - Vol.49. - P. 11421.

93. Lyo, I.W. Field-induced nanometer-scale to atomic-scale manipulation of silicon surfaces with the stm /I.W. Lyo, P. Avouris // Science. 1991. - Vol. 253. - P. 173.

94. Maiti, A. Structure and energetics of single and multilayer fullerene cages /А. Maiti, C.J. Brabcc, J. Bernhole // Phys. Rev. Lett. 1993. - Vol. 70. - P. 3023.

95. Maiti, А. /А. Maiti, C.J. Brabec, J. Bernhole // Mod. Phys. Lett. B. 1993. - Vol. 7.- P. 1883.142| Maiti, A. Structural defects and the shape of large fullerenes /А. Maiti, C.J. Brabec, J. Bernhole // Chem. Phys. Lett. 1994. - Vol 219. - P. 473.

96. McCleland, J.J. Laser-focused atomic deposition /J.J. McCIeland, R.E. Scholten, E.C. Palm et al. 11 Science. 1993. - Vol. 262. - P. 877.

97. McElvany, S. W. Cyclocarbon coalescence — mechanisms for tailor-made fullerene formation /S.W. McElvany, M.M. Ross, N.S. Goroff, et.al. 11 Science. 1993. - Vol. 259. - P. 1594.

98. Miyake, S. 1 nm deep mechanical processing of muscovitc mice by atomic-force microscopy /S. Miyake // Appl. Phys. Lett 1995. - Vol. 67. - P. 2925.

99. Mintmire, J.W. Fullerene formation and annealing /J.W. Mintmire // Science. — 1996. Vol. 272. - P. 45.

100. Murry, R.L. Role of sp(3) carbon and 7-membered rings in fullerene annealing and fragmentation /R.L. Murry, D.L. Strout, G.K. Gregory et al. // Nature. — 1993. — Vol. 366. P. 665.

101. O'Brien, S.C. Photophysics of buckminsterfullerene and other carbon cluster ions /S.C. O'Brien, J.R. Heath, R.F. Curl et al. // J. Chem. Phys. 1988. - Vol. 88. - P. 220.

102. Perez-Garrido, A. Giant multilayer fullerene structures with symmetrically arranged defects /А. Perez-Garrido // Phys. Rev. B. 2000. - Vol. 62. - P. 6979.

103. Porto, M. Molecular motor that never steps backwards /М. Porto, M. Urbakh, J. Klafter 11 Phys. Rev. Lett. 2000. - Vol. 84. - P. 6058.

104. Radi, P.P. On the structure, reactivity and relative stability of the large carbon cluster ions Cg2i CJ0 and C58+ /P.P. Radi, M.T. Hsu, M.E. Eincon et al. // Chem. Phys. Lett. -1990. Vol. 174. - P. 223.

105. Raghavachari, K. Structure, stability, and fragmentation of small carbon clusters /К. Raghavachari, J.S. Binkey // J. Chem. Phys. 1987. - Vol. 87. - P. 2191.

106. Raghavachari, K. Theoretical-studies 011 carbon and silicon clusters comparison of the structures and stabilities of neutral and ionic forms /К. Raghavachari // Z. Phys. D. — 1989. - Vol. 12. - P. 61.

107. Rohlfing, E.A. High-resolution time-of-flight mass-spectrometry of carbon and carbonaceous clusters /Е.А Rohlfing // J. Chem. Phys. 1990. - Vol. 93. - P. 7851.

108. Schaeter, D.M. Fabrication of 2-dimensional arrays of nanometer-size clusters with the atomic-force microscope /D.M. Schaeter, R. Reifenberger, A. Pat.il et al. // Appl. Phys. Lett. 1995. - Vol. 66. - P. 1012.

109. Scuceria, G.E. /G.E. Scuceria // Chem. Phys. Lett. ~ 1995. Vol. 243. - P. 193.

110. Shen Z. /Z. Shen, S. Lie, Z. Xuc et al. // Int. Journ. of Nanoscience. 2002. - Vol. 1.- P. 575.175J Smalley, R.E. Self-assembly of the fullerenes /R.E. Smalley // Acc. Chem. Res. 1992.- Vol. 25. P. 98.

111. Stone, A.J. Theoretical-studies of icosahedral Сбо and some related species /A.J. Stone, D.J. Wales // Chem. Phys. Lett. 1986. - Vol. 128. - P. 501.

112. Strout, D.L. How unequivocally do ion chromatography experiments determine carbon cluster geometries /D.L. Strout, L.D. Book, J.M. Millam et al. // J. Phys. Chem. — 1994. Vol. 98. - P. 8622.

113. Tans, S.J. Individual single-wall carbon nanotubes as quantum wires /S.J. Tans, M.H. Devoret, H. Dai, et al. // Nature. 1997. - Vol. 386. - P. 474.

114. Tarnai, T. Geodesic domes and fullerenes /Т. Tarnai // Phil. Trans. R. Soc. Lond. A. — 1993. Vol. 343. - P. 145.187| Tenne R. /R. Tenne, L. Margulis, M. Genut et.al. /7 Nature. 1992. - Vol. 300. - P. 6403.

115. Terrones, H. The flipping of corannulene C20hl0 through surface transformations and the stability of C20 isomers /Н. Terrones // Ful. Sc. & Tech. 1995. - Vol. 3. - P. 107.1. Литература 155

116. Tibbetts, G.G. Why are carbon filaments tubular /G.G. Tibbers // J. Cristal Growth. -1984. Vol. 66. - P. 632.

117. Timp, G. /G. Timp, R.E. Behringer, P.M. Tennout et al. // Phys. Rev. Lett. 1992. -Vol. 69. - P. 1632.9

118. Tomanek, D. Growth regimes of carbon clusters /D. Tomanek, M.A. Schluter // Phys. Rev. Lett. 1991. - Vol. 67. - P. 2331.

119. Tom.anek, D. Stability of multishell fullerenes /D. Tomanek, W. Zhang, E. Krastev // Phys. Rev. B. 1993. - Vol. 48. - P. 15461.

120. Tsang S. C. Thinning and opening of carbon nanotubes by oxidation using carbon-dioxide /S.C. Tsang, P.J.F. Harris, M.L.H. Creen // Nature. 1993. - Vol. 362. - P. 520.

121. Tsang S.C. /S.C. Tsang, Y.K Chen, P.J.F. Harris // Nature. 1994. - Vol. 372. - P. 159.

122. Tunney, M.A. Effects of disorder and momentum relaxation on the intertube transport of incommensurate carbon nanotube ropes and multiwall nanotubes /М.А. Tunney, N.R. Cooper // Phys. Rev. B. 2006. - Vol. 74. - P. 075406.

123. Tuzun R.E. Dynamics of a laser-driven molecular motor /R.E. Tuzun, D.W. Noid, B.G. Sumpter // Nanotechnology. — 1995. — Vol 6. — P. 52.

124. Ugaiie, D. Morphology and structure of graphitic soot particles generated in arc-discharge C60 production /D. Ugarte // Chem. Phys. Lett. 1992. - Vol. 198. - P. 596.

125. Ugarte, D. Curling and closure of graphitic networks under electron-beam irradiation /D. Ugarte // Nature. 1992. - Vol. 359. - P. 707.

126. Ugarte, D. Formation mechanism of quasi- spherical carbon particles induced by electron-bombardment /D. Ugarte // Chem. Phys. Lett. 1993. - Vol. 207. - P. 473.

127. Ugarte, D. Canonical structure of large carbon clusters — C„, n greater than 100 /D. Ugarte // Europhys. Lett. 1993. - Vol. 221. - P. 45.

128. Ulmer, G. Laser mass spectroscopic investigations of purified, laboratory-produced C6o/C70 /G. Ulmer, E.E. Campbell, R. Kuhnle et al. // Chem. Phys. Lett. 1991. -Vol. 182. - P. 114.

129. Waldeck, D.H. /D.H. Waldeck, D.N. Bevatan 11 Science. 1993. - Vol. 261. - P. 576.

130. Wang, C.Z. Disintegration and formation of Ceo /C.Z. Wang, C.H. Xu, C.T. Chan et al. // J. Phys. Chem. 1992. - Vol. 96. - P. 3563.

131. Wang, X.K. Carbon nanotubes synthesized in a hydrogen arc-discharge /Х.К. Wang, X.W. Lin, V.P. Dravid et al. // Appl. Phys. Lett. 1995. - Vol. 66. - P. 2430.

132. Winkler, R. G. Liquid benzene confined between graphite surfaces — a constant-pressure molecular-dynamics study /R.G. Winkler, R. Hentschke //J. Chem. Phys. — 1993. — Vol. 99. P. 5405.

133. Yamada, K. Formation process of carbyne produced by shock compression /К. Yamada, H.Kunishige, A.B. Sawaoka // Naturwissenchaften. — 1991. — Vol. 78. — P. 450.

134. Yang, S. UPS of 2-30-atom carbon clusters — chains and rings /S. Yang, K.J. Taylor, M.J. Craycraft et al. // Chem. Phys. Lett. 1988. - Vol. 144. - P. 431.

135. Yeretzian, C. Coalescence reactions of fullerenes /С. Yeretzian, K. Hansen, A.F. Diederich et al. // Nature. 1992. - Vol. 359. - P. 44.

136. Yi, .]. Reactivity, stability, and formation of fullerenes /J. Yi, J. Berhole // Phys. Rev. B. 1993. - Vol. 48. - P. 5724.

137. York, D. Density-functional calculations of the structure and stability of C240 /D. York, J.P. Lu, W. Yang // hys. Rev. B. 1994. - Vol. 49. - P. 8526.215J Yoshida, М. /М. Yoshida, Е. Osawa // Ful. Sc. & Tech. 1993. - Vol. 1. - P. 54.

138. Zerbetto, F. Annealing graphite-like structures — a monte-carlo quantum chemical study /F. Zerbetto // Chem. Phys. 1991. - Vol. 150. - P. 39.

139. Zhang, O.L. Reactivity of large carbon clusters — spheroidal carbon shells and their possible relevance to the formation and morphology of soot /O.L. Zhang, S.C. O'Brien, J.R. Heath et al. // J. Phys. Chem. 1986. - Vol. 90. - P. 525.

140. Zhang, X.P. Carbon nanotubes — their formation process and observation by electron-microscopy /Х.Р. Zhang, X.B. Zhang, G. Tendeloo, et al. // ./. Cristal Growth. 1993. -Vol. 130. - P. 368.

141. Zheng Q. Multiwalled carbon nanotubes as gigahertz oscillators /Q. Zheng, Q. Jiang // Phys. Rev. Lett. 2002. - Vol. 88. - P. 045503.2221 JANAF Thermochemical Tables, 2nd Edn, NSRDS- NBS37. Nat. Bur. Stand., Washington, 1970.