Электронно-энергетические характеристики двухслойных углеродных нанотубуленов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.04, кандидат наук Камнев, Виталий Владимирович

• Камнев, Виталий Владимирович
• кандидат наук
• 2014

Оглавление диссертации кандидат наук Камнев, Виталий Владимирович

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. МОДЕЛИ ОДНО- И ДВУХСЛОЙНЫХ УГЛЕРОДНЫХ НАНОТРУБОК. ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЕ МЕТОДЫ, ПРИМЕНЯЕМЫЕ ДЛЯ ИЗУЧЕНИЯ ИХ ЭЛЕКТРОННО-ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК

1.1 Структура и обозначение одно- и двухслойных углеродных нанотрубок. Выбор объектов исследования

1.1.1 Однослойные нанотрубки

1.1.2 Двухслойные нанотрубки как предельная форма многослойных нанотрубок. Методы синтеза и электронные свойства

1.2 Характер проводимости однослойных нанотрубок

1.3 Электронные эмиссионные и оптические свойства двухслойных и многослойных нанотрубок

1.4 Типы допирования двухслойных углеродных нанотрубок

1.5 Квантовохимические методы расчета электронного строения многоатомных систем

1.5.1 Общие подходы

1.5.2 Одноэлектронное приближение

1.5.3 Базисные функции

1.5.4 Теория функционала плотности

1.5.5 Обобщение теории функционала плотности для систем с трансляционной симметрией

1.5.6 Валентное приближение. Псевдопотенциалы

1.5.7 Выбор обменно-корреляционного функционала

1.6 Выводы

ГЛАВА 2. ВНУТРЕННЯЯ АДСОРБЦИЯ ЛЕГКИХ АТОМОВ И

МОЛЕКУЛ В ДВУХСЛОЙНЫХ НАНОТРУБКАХ (МОДЕЛЬ

МОЛЕКУЛЯРНОГО КЛАСТЕРА)

2.1 Кластерная модель одиночных двухслойных углеродных

нанотрубок

2.2 Частицы коаксиальных двухслойных нанотрубок и соединений включения (атомов 1л, Б) на их основе. Структурные особенности и спектр одноэлектронных состояний

2.3 Кластер двухслойной углеродной нанотрубки, образованной двумя однослойными типа «зигзаг» с адсорбированными в межслойном пространстве атомами Н, или ¥, или С1

2.4 Адсорбция молекулы НБ в межслойном пространстве двухслойной углеродной нанотрубки, образованной трубками типа «зигзаг». Моделирование и квантовохимический расчет

2.5 Выводы

ГЛАВА 3. УСТОЙЧИВЫЕ СОСТОЯНИЯ АТОМОВ ЩЕЛОЧНЫХ

МЕТАЛЛОВ В ДВУХСЛОЙНЫХ НАНОТРУБКАХ (МОДЕЛЬ ЦИКЛИЧЕСКОГО КЛАСТЕРА)

3.1 Выбор параметров двухслойных нанотрубок

3.2 Метод расчета электронно-энергетических характеристик двухслойных углеродных нанотрубок

3.3 Энергии образования структур при допировании двухслойных углеродных нанотрубок атомами щелочных металлов

3.4 Профиль поверхности потенциальной энергии взаимодействия атомов щелочных металлов с поверхностями двухслойных углеродных нанотрубок

3.5 Характеристики энергетических зон двухслойных углеродных нанотрубок, допированных атомами щелочных металлов

3.6 Расчет прикладываемых напряжений, необходимых для перехода атомов щелочных металлов из одного устойчивого состояния в другое

3.7 Выводы

ГЛАВА 4. ЭМИССИОННЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ И ОСОБЕННОСТИ ОПТИЧЕСКОГО ПОГЛОЩЕНИЯ ДВУХСЛОЙНЫХ НАНОТРУБОК - БЕЗДЕФЕКТНЫХ И ДОПИРОВАННЫХ АТОМАМИ ЩЕЛОЧНЫХ МЕТАЛЛОВ

4.1 Кластерная модель одиночных двухслойных углеродных нанотрубок

4.2 Параметры выбранных двухслойных нанотрубок. Метод расчета

4.3 Геометрическая структура и энергетический спектр электронов

4.4 Эмиссионные характеристики недопированных и допированных двухслойных нанотрубок

4.5 Экспериментальные данные по поглощению излучения однослойными нанотрубками различных диаметров

4.6 Оптические характеристики двухслойных углеродных нанотрубок

4.6.1 Спектры поглощения недопированных нанотрубок

4.6.2 Спектры поглощения допированных нанотрубок

4.7 Выводы

ГЛАВА 5. СТРУКТУРА, ЭЛЕКТРОННО-ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ

ХАРАКТЕРИСТИКИ И ОСОБЕННОСТИ ОПТИЧЕСКОГО ПОГЛОЩЕНИЯ ПУЧКОВ ДВУХСЛОЙНЫХ НАНОТРУБОК

5.1 Моделирование пучков двухслойных нанотрубок. Электронная зонная структура

5.1.1 Метод и параметры расчета электронной структуры

5.1.2 Электронная зонная структура

5.2 Оптические характеристики пучков двухслойных углеродных нанотрубок

5.2.1 Пучки недопированных нанотрубок

5.2.2 Пучки допированных нанотрубок

5.3 Выводы

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Электронно-энергетические характеристики двухслойных углеродных нанотубуленов»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. Развитие науки и техники последнего десятилетия привело к обнаружению и последующему интенсивному изучению новых функциональных материалов, таких как нанотрубки. Термины «на-нотубулен», «тубелен» встречаются в русскоязычной литературе [1] (и переводных статьях российских авторов) и, очевидно, произошли от английских tubule, tube let в значениях «трубка малых размеров, тело полой цилиндрической структуры». Первыми были открыты углеродные нанотрубки (УНТ), впоследствии исследователям удалось синтезировать нанотрубки и из других элементов. По сравнению с существующими материалами, УНТ привлекательны для исследований выдающимися механическими, электронными и химическими свойствами, которые делают возможным создание элементов электроники и новых энергетических систем нанометрового масштаба с замечательными характеристиками.

Уже сейчас определены области возможного использования УНТ. Прежде всего, это наноэлектроника, которая должна использовать квантовые свойства УНТ и возможности их применения в качестве нанотранзи-сторов с безрезистивной связью. При переходе к новым технологиям в разработке интегральных схем толщина пленочного изолятора в используемых транзисторах на основе структур «металл-диэлектрик-полупроводник» может достичь нескольких десятков атомов из-за уменьшения размеров самих транзисторов, что порождает проблемы токов утечки и возрастания потребляемой мощности, а миниатюризация проводников в интегральных схемах приводит к их нагреву из-за возросшего электрического сопротивления. Полевые транзисторы нанометровых размеров на основе УНТ будут лишены этих недостатков, а сами нанотрубки способны проводить огромные токи без нагрева вследствие баллистической проводимости, что делает УНТ перспективными материалами для компонент интегральных микросхем. Привлекательна электронная эмиссионная способность УНТ, которая может быть ис-

пользована для создания электронных пушек и тонких дисплеев. Появилась возможность использования наноструктур для создания термоэлектрических материалов, добротность которых на порядок выше, чем в массивных аналогах. Квантовые свойства УНТ обеспечивают использование их в качестве сенсорных устройств фиксирования водорода и других газов. Высокопористую сеть из многослойных УНТ уже применили как анод Li-ion аккумуляторов с большим сроком работы, химической стабильностью и высокой емкостью [2].

Для таких материалов нанометровых размеров важным инструментом является вычислительное моделирование, как в плане разработки конечного устройства, так и в улучшении характеристик его основных компонент. Расчеты электронной структуры, такие как первопринципные вычисления методами теории функционала плотности, являются одним из мощнейших инструментов для анализа свойств и характеристик наноразмерных структур практически любого состава. Развитие вычислительной техники позволяет проводить все более масштабные и высокоточные вычисления. Следует заметить, что именно проведение теоретических исследований позволило предсказать многие свойства УНТ (например, их уникальную упругость).

Степень разработанности темы исследования. Наиболее полно изучены физические свойства однослойных УНТ (работы С. Ииджимы, М. Эн-до, JI. А. Чернозатонского, М. Ю. Корнилова, М. Дрессельхаус). На их основе уже созданы опытные образцы электронных устройств (диоды, полевые транзисторы, зонды, холодные полевые эмиттеры). При этом интерес исследователей все более привлекают двухслойные УНТ: внешняя трубка делает двухслойные УНТ механически, термически и структурно более стабильными, чем однослойные нанотрубки. Группа ученых (X. Мураматсу, Т. Хаяши, М. Эндо, М. Дрессельхаус и др.) установила, что при безкаталитическом синтезе образуются высокочистые бездефектные двухслойные УНТ преимущественно с диаметром внутренней трубки около 0,6 нм. Группой исследова-

телей (М. Коциак и др.) экспериментально подтвержден переход в сверхпроводящее состояние пучков двухслойных УНТ при температуре ниже 6,8 К. Установлена сверхпроводимость жгутов однослойных УНТ (М. Ферриер, И. Такесё и др.) и многослойных нанотрубок (X. Мурата, М. Эндо и др.), но только треть из УНТ может иметь металлическую проводимость. Кроме того, как и жгуты однослойных УНТ, так и массивы многослойных УНТ имеют широкий разброс хиральностей и диаметров и потому также проявляют различный тип проводимости (полупроводниковый или металлический). В сравнении с многослойными, двухслойные УНТ выделяются малым диаметром (менее 2 нм), а в сравнении с однослойными — высокой атомарной чистотой (Р. Саито, X. Мираматсу и др.). Внимание исследователей привлекает и возможность целенаправленного управления электронными (А. Фил-хо, Р. С. Ли), эмиссионными (Б. Шан, К. Чо) и оптическими (Г. Нассименто) свойствами двухслойных УНТ с помощью допирования гостевыми атомами, легкими молекулами. Это позволяет говорить о пучках двухслойных УНТ как о перспективных и многообещающих материалах электронных устройств и необходимы дальнейшие исследования свойств двухслойных углеродных нанотрубок.

Целью работы является выявление особенностей электронно-энергетических и оптических характеристик двухслойных УНТ при их взаимодействии с легкими атомами, молекулами или атомами щелочных металлов с образованием структур, родственных соединениям включения графита путем моделирования и проведения квантовохимического расчета на основе схем высокого уровня.

Для достижения поставленной цели решены следующие задачи:

1. Разработка моделей двухслойных УНТ типов «зигзаг» и «кресло» с различными диаметрами внешней трубки.

2. Выявление особенностей взаимодействия легких атомов, молекул или атомов щелочных металлов с поверхностями двухслойных УНТ раз-

личного диаметра внешней трубки при образовании структур, родственных соединениям включения графита.

3. Установление зависимости профиля потенциальной энергии взаимодействия атома щелочного металла (1л, Ыа, К) с поверхностями двухслойных УНТ с различными диаметрами внешней трубки.

4. Выявление особенностей электронного строения, зонной структуры электронного энергетического спектра, эмиссионных и оптических характеристик указанных систем методами квантовой механики и физики конденсированного состояния.

Научная новизна работы заключается в том, что впервые:

- Предложены модели одиночных двухслойных УНТ (с величинами диаметров составляющих их трубок, соответствующими таковым в наиболее часто встречающихся среди получаемых двухслойных УНТ при их высокочистом синтезе) и их пучков с дефектами внедрения в межслойное пространство.

- Выявлены особенности взаимодействия атомов щелочных металлов с поверхностями двухслойных УНТ при внедрении атомов в межслойное пространство УНТ.

- Показано, что модель коаксиальной двухслойной УНТ с определенным диаметром внешней трубки с внедренными в ее межслойное пространство атомами щелочных металлов представляет систему с двумя устойчивыми состояниями равновесия и может служить основой для создания элемента электронной памяти.

- Получены расчетные характеристики электронной эмиссии одиночных двухслойных углеродных нанотрубок как бездефектных, так и допиро-ванных атомами щелочных металлов.

- Установлено, что допирование как одиночных двухслойных УНТ, так и их пучков, атомами щелочных металлов полупроводниковых и полуметаллических нанотрубок изменяет тип их проводимости на металлический.

- Установлено, что допирование атомами щелочных металлов двухслойных УНТ как одиночных, так и связанных в пучки, приводит к появлению области прозрачности в спектре поглощения в видимом диапазоне длин волн.

- Установлено, что связывание двухслойных УНТ как бездефектных, так и допированных атомами щелочных металлов, в пучки существенно изменяет их электронные и оптические свойства.

Научная и практическая ценность работы. Предложенные структурные модели двухслойных УНТ в следующих конфигурациях последних: одиночные, связанные в пучки, бездефектные и допированные в межслойное пространство атомами щелочных металлов, позволяют производить целенаправленный подбор материалов для разработки на основе двухслойных УНТ различных устройств:

- результаты исследований эмиссионных характеристик одиночных двухслойных УНТ, как бездефектных, так и допированных атомами щелочных металлов, могут быть использованы при разработке высокотоковых холодных катодов с низкой работой выхода электронов (менее 4 эВ);

- результаты исследований оптического поглощения одиночных двухслойных УНТ и их пучков, как бездефектных, так и допированных атомами щелочных металлов, могут быть использованы при разработке тонкопленочных поляризаторов и поглотителей электромагнитного излучения;

- результаты исследований электронно-энергетических характеристик одиночных двухслойных УНТ и их пучков, как бездефектных, так и допированных атомами щелочных металлов, могут быть использованы при разработке металлических и полупроводниковых элементов электронных и оптических устройств наноразмерных масштабов.

Объекты и методы исследования.

В качестве объектов исследования выбраны:

а) одиночные двухслойные углеродные нанотрубки (квазиодномерные структуры) как бездефектные, так и с дефектами внедрения в межслойное пространство легких атомов (Н, 1л, Б, С1), молекул (НБ) или атомов, легко отдающих валентные электроны (атомы щелочных металлов - 1л, Иа, К);

б) пучки двухслойных углеродных нанотрубок как бездефектные, так и с дефектами внедрения в межслойное пространство нанотрубок атомов щелочных металлов (1л, Ыа, К).

Для исследования электронно-энергетических, эмиссионных характеристик и характеристик оптического поглощения выбранных объектов применены широко апробированные при решении различных физических задач вычислительные схемы на основе теории функционала электронной плотности с учетом полной оптимизации структурных конфигураций изучаемых систем. Рассчитанные с их помощью электронно-энергетические структуры, пространственные распределения валентного эффективного локального потенциала позволили установить особенности электронных, эмиссионных и оптических свойств одиночных двухслойных УНТ и их пучков с указанными структурными модификациями.

Положения, выносимые на защиту:

1. Допирование двухслойных углеродных нанотрубок атомами щелочных металлов приводит а) к существенному повышению их проводимости как в изначально полупроводниковых нанотрубках, так и в нанотрубках с изначально металлической проводимостью, б) к исчезновению запрещенной щели в изначально полупроводниковых трубках.

2. Двухслойные углеродные нанотрубки, представленные моделью коаксиальных круговых цилиндров (структуре соответствует локальный минимум), с определенным диаметром внешней трубки и допированные в межстенное пространство атомами щелочных металлов являются системами с двумя устойчивыми состояниями равновесия; последним отвечают положения адсорбированных атомов на внутренней или внешней трубках.

3. Модель вложенных эллиптических цилиндров соответствует глобальному минимуму структуры одиночной двухслойной углеродной нано-трубки, образованной идеальными внешней и внутренней трубками с отношением величин диаметров большим 2,11 и позволяет получить адекватные значения работы выхода электронов из нанотрубки в рамках теории функционала плотности. В случае «сильного» допирования в межстенное пространство атомами щелочных металлов такие структуры можно описывать моделью коаксиальных круговых цилиндров.

4. Как в одиночных двухслойных углеродных нанотрубках, так и в их пучках, допированных атомами щелочных металлов, проявляется дихроизм и появляется область прозрачности в спектре оптического поглощения в видимом диапазоне длин волн.

Достоверность результатов обеспечивается применением вычислительных схем высокого уровня (широко апробированных ранее в задачах физики многоатомных систем), а также а) хорошей корреляцией полученных результатов с теми экспериментальными данными, которые к настоящему времени известны, б) согласованностью результатов с выводами других исследователей.

Апробация результатов. Результаты диссертационного исследования докладывались на XIII и XIV Региональных конференциях молодых исследователей Волгоградской области (Волгоград, 2008 г., 2009 г.), Всероссийской молодежной конференции «НАнотехнологии и инНОвации» (Таганрог, 2009 г.), Одиннадцатой всероссийской молодежной конференции по физике полупроводников и наноструктур, полупроводниковой опто- и наноэлектро-нике (Санкт-Петербург, 2009 г.), Шестнадцатой Всероссийской научной конференции студентов-физиков и молодых ученых (Волгоград, 2010 г.), международных семинарах по физико-математическому моделированию систем (Воронеж, 2009 г., 2010 г., 2012 г.).

Публикации. Основные научные результаты опубликованы в следующих рецензируемых журналах: «Наукоемкие технологии», «Химическая физика», «The European Physical Journal В», а также в сборниках тезисов и материалов конференций. Всего — 15 работ, из них 3 статьи в журналах, рекомендованных ВАК РФ.

Соответствие паспорту научной специальности. Указанная область исследования соответствует паспорту специальности 01.04.04 — «Физическая электроника», а именно пункту 1 — «Эмиссионная электроника, включая процессы на поверхности, определяющие явления эмиссии, эмиссионную спектроскопию и все виды эмиссии заряженных частиц» и пункту 4 — «Физические явления в твердотельных микро- и наноструктурах, молекулярных структурах и кластерах; проводящих, полупроводниковых и тонких диэлектрических пленках и покрытиях».

Личный вклад автора заключается в том, что им а) построены модели двухслойных углеродных нанотрубок идеальной геометрической структуры и с учетом релаксации геометрической структуры, а также модели с внедренными атомами или легкими двухатомными молекулами [3-18]; б) построены модели пучков двухслойных углеродных нанотрубок, модифицированных внедренными в межслойное пространство атомами щелочных металлов с учетом релаксации геометрической структуры; в) проведены расчеты электронно-энергетических [3-18], эмиссионных [4,5] и оптических характеристик [6] исследованных объектов; в) совместно с научным руководителем сформулированы задачи исследования и проанализированы результаты компьютерного моделирования. Основные положения диссертации опубликованы в соавторстве с научным руководителем.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованной литературы. Общий объем диссертации составляет 130 страниц, включая 48 рисунков и 10 таблиц. Список литературы составляет 109 наименований на 8 страницах.

ГЛАВА 1. МОДЕЛИ ОДНО- И ДВУХСЛОЙНЫХ УГЛЕРОДНЫХ НАНОТРУБОК. ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЕ МЕТОДЫ, ПРИМЕНЯЕМЫЕ

ДЛЯ ИЗУЧЕНИЯ ИХ ЭЛЕКТРОННО-ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ

ХАРАКТЕРИСТИК

1.1 Структура и обозначение одно- и двухслойных углеродных нанотрубок. Выбор объектов исследования

1.1.1 Однослойные нанотрубки

Углеродные нанотрубки (УНТ) представляют собой свернутые фрагменты графитового листа (сетка гексагональных ячеек из атомов углерода на рисунке 1.1а) в форме длинных концентрических цилиндров. Естественно, части графитового листа должны быть «скроены» таким образом, чтобы края соединились с учетом периодичности вдоль окружности трубки. Диаметр нанотрубок обычно составляет порядка нескольких нанометров (на что указывает их название), но их длина может быть на несколько порядков больше по величине. Поэтому они являются практически одномерными объектами. Связи в УНТ по существу яр2-типа; круговая кривизна заставляет (Т-связи незначительно выходить из плоскости, 7г-орбиталь более делокали-зована вне нанотрубки [19].

Хамада [20] предложил следующую методику обозначения структуры УНТ. Рассматривая способы сворачивания графитового моноатомного листа (рисунок 1.2), он ввел пару индексов, нумерующих ячейки графитового листа (п!, щ), где необходимо выполнение условия щ > 2пг > 0 для обеспечения непрерывной сшивки «кольца с кольцом» и однозначного соответствия вводимого обозначения получаемой в результате свертки трубчатой структуре.

Структура и свойства каждой специфической нанотрубки сильно зависят от ее так называемой хиральности, то есть ориентации хирального век-

тора С}ь (см. рисунок 1.16) с разложением по единичным векторам решетки графита й! и а2.

V Ж

ЩщшШШ

аХ1 зиг-заг

{ ? { Г?\ I I ^ I/

обССССХ

б)

Лз^ оДс

"О

«о О^о

Цо 0(0

¿ор <(«>

в) Г)

а) Графитовая плоскость сворачивается в нанотрубку; б) хиральный вектор на графитовой плоскости. Заштрихованная часть может быть свернута в хиральную нанотрубку (3,2); в) пример нанотрубки типа «зигзаг»; г) пример нанотрубки типа «кресло»

Рисунок 1.1 — От графена к углеродным нанотрубкам

Векторы аяЬ — элементарные векторы двумерной решетки. Парой чисел показаны координаты точек решетки, используемые как обозначение кристаллической структуры

трубок

Рисунок 1.2 — Представление моноатомного слоя графита в работе Хамада [20]

Единичные векторы образуют удобную систему координат для наших представлений. Хиральный вектор соединяет начальный атом (произвольно выбранный) в положении (0,0) с атомом в положении (п, т) на графитовой плоскости и указывает направление, в котором следует свернуть графитовый лист, чтобы сформировать нанотрубку. Следовательно, сам хиральный

вектор может быть представлен как линейная комбинация двух единичных векторов решетки [21]:

С/1 = па1 + та2, (1.1)

где целые числа (п, т) указывают число шагов вдоль зигзагообразных углеродных связей шестиугольной решетки, а\ и а2 являются единичными векторами (рисунок 1.1).

Каждая нанотрубка единственным образом определяется координатами ее хирального вектора, то есть парой индексов (п, га). Два особых случая, когда хиральный вектор совпадает с одним из высокосимметричных направлений в графитовой плоскости, называют «зигзаг» и «кресло» по форме пути вдоль окружности таких нанотрубок (как показано на рисунке 1.16). В

—*

конфигурации типа «зигзаг» вектор С/г параллелен одному из единичных векторов решетки графита и нанотрубка может быть однозначно описана парой чисел (к, 0), где к — целое число. В случае конфигурации типа «кресло» вектор Сь, направлен точно между единичными векторами и нанотрубка описывается как пара (к, к). Все другие структуры нанотрубок называют хиральными [22]. Из-за высокой симметрии графитовой плоскости каждая возможная структура нанотрубки может быть создана, используя хиральный вектор, направленный из начального атома к точкам решетки, лежащим в пределах любой из 7г/6 угловых частей плоскости. Для полноты описания нужно упомянуть хиральный угол (см. рисунок 1.16), который является углом между векторами а\ и С^ и принимает значения между 0 («зигзаг») и 7г/6 («кресло»).

В общем случае, элементарной ячейкой однослойной нанотрубки является цилиндр с длиной окружности, задаваемой длиной хирального вектора и высотой, определяемой так называемым вектором трансляции Т , перпендикулярным к С^. Если обозначить длину каждого элементарного вектора графена через а, то легко показать, что диаметр произвольной (п, т) нано-

трубки определяется выражением [21]:

б? = — \/п2 + тп2 + пт. (1-2)

7Г

Пример получения хиральной нанотрубки (5,3) сворачиванием графитовой плоскости изображен на рисунке 1.3 [23]. Хиральность нанотрубок оказывает огромное влияние на их свойства, особенно электронные. В настоящей работе рассмотрены только нехиральные УНТ.

Рисунок 1.3 — Примерная схема образования хиральной нанотрубки (5,3) [23]

1.1.2 Двухслойные нанотрубки как предельная форма многослойных нанотрубок. Методы синтеза и электронные свойства

Известны два главных вида углеродных нанотрубок:

а) Однослойные углеродные нанотрубки (английский термин — 8\\гКТз) представляют полыми цилиндрами из графитового листа, и однозначно определены своим диаметром и хиральностью. Диаметр однослойных УНТ изменяется от 0,5 до 5 нм. В зависимости от хиральности однослойные УНТ могут быть металлическими или полупроводниковыми [23].

б) Многослойные углеродные нанотрубки (английский термин — М\¥ТЧТ8) — это группа концентрических однослойных нанотрубок (рисунки 1.4А, 1.5а, 1.5с), часто (но необязательно) закрытых с обоих концов, с

диаметрами в диапазоне от нескольких нанометров до 200 нм [19,21]. Эти концентрические нанотрубки скрепляются силами Ван-дер-Ваальса. Многослойные УНТ формируют сложные системы с различным числом слоев и различной структурой: наконечники, внутренние смыкания в пределах центральной части трубы, формируя так называемую «бамбуковую» структуру (рисунок 1.4В), и даже формируют У-образную структуру.

Двухслойные УНТ, являющиеся предельной формой многослойных УНТ, можно считать идеальной моделью для изучения взаимодействий между различными концентрическими нанотрубками. Двухслойные нанотрубки состоят из двух концентрических слоев нанотрубок. Будем использовать обозначение (п, т)@{п\ т') для определения двухслойной нанотрубки, образованной внутренней нанотрубкой (п,т) и внешней (п',т'). На рисунке 1.5Ь представлены изображения двухслойной УНТ большого диаметра из работы Ииджимы [24].

А — многослойная УНТ; В — «бамбуковый» тип многослойной УНТ

Рисунок 1.4 — Изображения многослойных УНТ, полученные с помощью просвечивающего электронного микроскопа с высоким разрешением [24]

Известны несколько методов синтеза двухслойных нанотрубок: электродуговой разряд, химическое парофазное осаждение (СУБ-процесс), а также термическое воздействие на фуллерены, инкапсулированные в однослойные углеродные нанотрубки (структуры, известные как «стручки»). Только последний из перечисленных методов является эффективным для безката-литического получения атомарно высокочистых двухслойных УНТ, так как внутренняя трубка малого диаметра (обычно 0,4-0,7 нм) образуется путем

а, с — многослойные УНТ; Ь — двухслойная УНТ

Рисунок 1.5 — Изображения многослойных и двухслойной УНТ, полученные с помощью просвечивающего электронного микроскопа с высоким разрешением [24]

сращивания инкапсулированных фуллеренов. Кроме того, внешняя трубка делает двухслойные нанотрубки механически, термически и структурно более стабильными, чем однослойные нанотрубки.

В статье [25] сообщают, что из «стручков» УНТ по методике безката-литического синтеза получены двухслойные нанотрубки. Авторы установили зависимость между температурой синтеза и распределением по диаметру внутренней трубки в образующихся двухслойных трубках, а также получили изображения последних просвечивающей (трансмиссионной) электронной микроскопией (ПЭМ) высокого разрешения (рисунок 1.6). Важно отметить, что при температурах, меньших 2000°С преимущественно образовывались двухслойные нанотрубки с диаметром внутренней трубки 0,5-0,6 нм, в то время как во всех четырех вариантах температуры синтеза (1500, 1700, 1800, 2000°С) независимо от выбора температуры наблюдалось наибольшее число двухслойных нанотрубок с диаметром внутренней трубки около 0,6 нм.

Эти экспериментальные сведения позволили нам определиться с выбором диаметра внутренней трубки для наших модельных расчетов.

(i) Diameter distribution

1500°С

1700°С

о

U 20

15 2000"С

о Ui 11111 V*

0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 < Diameter (nm)

Рисунок 1.6 — Изображения, полученные при помощи сканирующей просвечивающей микроскопии в работе [25] двухслойных УНТ, синтезированных при различных температурах (с)-(Ь) из «стручков» однослойных УНТ, наполненных фуллеренами (а), (Ь)

В [26] проведен теоретический расчет электронной структуры и исследован эффект электрон-фононного взаимодействия с применением теории функционала плотности для однослойных (5, 5), (10,10) и двухслойной УНТ (5, 5)@( 10,10). Авторы отмечают незначительное увеличение полного электрон-фононного взаимодействия при переходе от однослойных нанотру-бок к образованной из них двухслойной нанотрубке; с помощью уравнения Макмиллана [27] авторами оценена температура перехода в сверхпроводя-

щее состояние, которая, согласно теоретическим расчетам, оказалась менее 1К.

Годом позже группой исследователей [2В] экспериментально был подтвержден переход в сверхпроводящее состояние пучков двухслойных нано-трубок при температуре ниже 6,8 К. Авторы акцентируют внимание на том, что чистый углерод не является сверхпроводящим элементом, и явление сверхпроводимости в пучках двухслойных нанотрубок — следствие самой наноструктуры. Хотя ранее сообщалось о сверхпроводимости жгутов однослойных нанотрубок [29-31] и многослойных нанотрубок [32,33], только треть из УНТ может иметь металлическую проводимость. Кроме того, как и жгуты однослойных нанотрубок, так и массивы многослойных нанотрубок имеют широкий разброс хиральностей и диаметров и потому также проявляют различный тип проводимости (полупроводниковый или металлический). В этом сравнении с многослойными, двухслойные нанотрубки выделяются малым диаметром (менее 2нм), а в сравнении с однослойными — высокой атомарной чистотой [25,34]. Это позволяет говорить о пучках двухслойных УНТ как о многообещающих одномерных сверхпроводниках.

1.2 Характер проводимости однослойных нанотрубок

Заключение диссертации по теме «Физическая электроника», Камнев, Виталий Владимирович

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В данной диссертационной работе для двухслойных углеродных нано-трубок впервые установлено:

1. Для атомов щелочных металлов, внедренных в межслойное пространство, оптимальной является их ориентация над центрами гексагонов.

2. Радиальный профиль поверхности потенциальной энергии взаимодействия атомов щелочных металлов (1л, К) с электростатическим полем, создаваемым распределением электронной плотности атомов поверхности нанотрубок, в зависимости от межслойного расстояния имеет либо один, либо два минимума (одно или два состояния равновесия соответственно), что может быть использовано при конструировании соответствующих нано-электронных устройств.

3. Внедрение атомов щелочных металлов в межслойное пространство приводит

— к выигрышу энергии (стабилизации системы);

— к исчезновению запрещенной энергетической щели в изначально полупроводниковых нанотрубках и к увеличению их проводимости (как в изначально полупроводниковых нанотрубках, так и в нанотрубках с изначально металлической проводимостью);

— к смещению уровня химического потенциала в область более высоких энергий.

4. Переход от одиночных двухслойных нанотрубок, допированных атомами щелочных металлов, к их пучкам приводит к возникновению

— металлической проводимости в направлениях, перпендикулярных осям нанотрубок;

— особенностей оптического поглощения, позволяющих их использование в качестве материалов селективных поглотителей электромагнитного излучения: в спектре оптического поглощения излучения с параллельной

поляризацией появляется область поглощения в инфракрасном диапазоне, а также область прозрачности 0,94 < Ни < 2,50 эВ при допировании атомами 1л, 1,04 < Ни < 2,12 эВ при допировании атомами Иа и 1,30 <Ьи< 2,12 эВ при допировании атомами К, в то время как для перпендикулярно поляризованного излучения область прозрачности появляется в более узком диапазоне 2,3 < Ни < 2,7 эВ (с четким краем интенсивного поглощения при 2,2 эВ).

5. Полученные оценки значений работы выхода электронов с поверхности изолированных двухслойных нанотрубок, допированных атомами щелочных металлов 3,6 эВ), позволяют сделать вывод о возможности их применения в качестве материалов автоэмиссионных катодов.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Камнев, Виталий Владимирович, 2014 год

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Запороцкова, И. В. Особенности сорбции легких атомов на поверхности однослойного углеродного тубелена / И. В. Запороцкова, А. О. Литинский, Л. А. Чернозатонский // Письма в ЖЭТФ. - 1997. - Т. 66, № 12. - С. 799804.

2. Carbon nanotube network modified carbon fibre paper for Li-ion batteries / J. Chen, J. Z. Wang, A. I. Minett et al. // Energy Environ. Sci. — 2009. — Vol. 2, N 4. - P. 393-396.

3. Литинский, А. О. Двухслойные углеродные нанотрубки, допированные атомами щелочных металлов - системы с двумя устойчивыми состояниями равновесия / А. О. Литинский, В. В. Камнев // Наукоёмкие технологии. — 2010. - № 10.- С. 14-21.

4. Литинский, А. О. Электронно-энергетические характеристики двухслойных углеродных нанотрубок, допированных атомами щелочных металлов /

A. О. Литинский, В. В. Камнев // Химическая физика. — 2013. — Т. 32, № 1.- С. 75-83.

5. Litinskii, А.О. Electron-Energy Characteristics of Double-Walled Carbon Nano-tubes Doped with Alkali Metal Atoms / A.O. Litinskii, V.V. Kamnev // Russ. J. Phys. Chem. B, Focus on Physics. - 2013. - Vol. 7, N 1. - P. 62-70.

6. Litinskiy, A. O. Electron energy spectrum and peculiarities of optical absorption of double-walled carbon nanotubes doped by alkali metals atoms / A. O. Litinskiy, V. V. Kamnev // The European Physical Journal B. — 2013. — Vol. 86, N 5. - P. 219[1—5].

7. Литинский, А. О. Спектр одноэлектронных состояний углеродных бинарных нанотубулярных частиц и соединений включения (атомов Li, F) на их основе / А. О. Литинский, В. В. Камнев // Наноматериалы и нано-технологии. Научный потенциал Волгоградской области : информационно-аналитический сборник / Администрация Волгогр. обл., ВолгГТУ. — Волгоград: 2008. - С. 95-99.

8. Камнев, В. В. Электронное строение и энергетический спектр электронов коаксиальных нанотубулярных углеводородных частиц, допированных атомами фтора и лития / В. В. Камнев, А. О. Литинский // XIII региональная конференция молодых исследователей Волгоградской области (11-14 нояб. 2008 г.): тез. докл. Вып. 4, Физика и математика / ГОУ ВПО "Волгогр. гос. ун-т"[и др.]. - Волгоград: 2009. - С. 22-27.

9. Камнев, В. В. Энергетический спектр электронов в двухслойной углеродной нанотрубке с адсорбированными атомами водорода, фтора и хлора /

B. В. Камнев, А. О. Литинский // Одиннадцатая всероссийская молодёжная конференция по физике полупроводников и наноструктур, полупроводниковой опто- и наноэлектронике (Санкт-Петербург, 30 нояб.- 4 дек. 2009 г.) : тез. докл. / С.-Пб. гос. политехи, ун-т [и др.]. — СПб: 2009. — С. 67.

10. Камнев, В. В. Энергетика адсорбции молекул HF на поверхности двухслойных углеродных нанотрубок / В. В. Камнев, А. О. Литинский // XIV

региональная конференция молодых исследователей Волгоградской области (11-13 нояб. 2009 г.). Вып. 4. Физика и математика : тез. докл. / ГОУ ВПО "Волгогр. гос. ун-т "[и др.]. - Волгоград: 2010. - С. 90-95.

11. Литинский, А. О. Моделирование и квантовохимический расчёт адсорбции лёгких атомов и молекулы HF на поверхности двухслойных углеродных нанотрубок / А. О. Литинский, В. В. Камнев // Физико-математическое моделирование систем : матер. VI междунар. семинара (Воронеж, 27-28 нояб. 2009 г.) / ГОУ ВПО "Воронежский гос. техн. ун-т"[и др.]. — Воронеж: 2010. - С. 76-81.

12. Камнев, В. В. Электронно-энергетические характеристики двухслойных углеродных нанотрубок, допированных атомами щелочных металлов / В. В. Камнев, А. О. Литинский // ВНКСФ-16 : матер, шестнадцатой все-рос. науч. конф. студентов-физиков и молодых учёных (г. Волгоград, 22-29 апр. 2010 г.) : информ. бюллетень / Ассоциация студ.-физиков и мол. учёных России [и др.]. — Екатеринбург ; Волгоград: 2010. — С. 200-201.

13. Литинский, А. О. Электронные состояния и энергетический спектр двухслойных углеродных нанотрубок, допированных атомами щелочных металлов / А. О. Литинский, В. В. Камнев // Нанотехнологии - 2010 : тр. междунар. науч.-техн. конф. и молодежной школы-семинара (Дивноморское, Россия, 19-24 сент. 2010 г.). В 2 ч. Ч. 2 / Юж. федерал, ун-т ; Технол. ин-т Юж. федерал, ун-та в г. Таганроге. — Таганрог: 2010. — С. 88-91.

14. Литинский, А. О. Электрофизические характеристики двухслойных углеродных нанотрубок, допированных атомами щелочных металлов /

A. О. Литинский, В. В. Камнев // Современные проблемы фундаментальных и прикладных наук : тр. 53-й науч. конф. МФТИ. Ч. V. Физическая и квантовая электроника / МФТИ (гос. ун-т) [и др.]. — М. ; Долгопрудный:

2010. - С. 90-91.

15. Литинский, А. О. Электронно-энергетическая структура двухслойных углеродных нанотубуленов, модифицированных атомами щелочных металлов. Модельный квантово-химический расчёт / А. О. Литинский, В. В. Камнев // Нанотехнологии и наноматериалы: современное состояние и перспективы развития в условиях Волгоградской области : матер. 3-й всерос. науч.-техн. конф. (г. Волгоград, 22-23 дек. 2010) / Администрация Волгогр. обл., Волгогр. гос. ун-т. — Волгоград: 2011. — С. 207-220.

16. Камнев, В. В. Применение пакета SIESTA для расчёта электроноэнерге-тических свойств наноструктур и полупроводниковых кристаллических структур на многопроцессорных комплексах / В. В. Камнев, Д. С. Попов // Облачные вычисления. Образование. Исследования. Разработка - 2011 : матер, конф. (31 мая - 3 июня 2011 г.) : в рамках программы «Университетский кластер» / Ин-т системного программирования РАН [и др.]. — М.:

2011.- С. 93.

17. Камнев, В. В. Электронные и энергетические характеристики двухслойных углеродных нанотрубок, допированных атомами щелочных металлов /

B. В. Камнев, А. О. Литинский // Физико-математическое моделирование систем : матер. VII междунар. семинара / ГОУ ВПО "Воронежский гос.

18.

19.

20.

21.

22.

23,

24,

25.

26.

27,

28

29

30

31

32

техн. ун-т"[и др.] / ГОУ ВПО "Воронежский гос. техн. ун-т"[и др.]. — Воронеж: 2011.- С. 51-57.

Камнев, В. В. Электронные и энергетические характеристики сильно легированных атомами щелочных металлов двухслойных углеродных нанотру-бок / В. В. Камнев, А. О. Литинский // Компьютерное моделирование электромагнитных процессов в физических, химических и технических системах : матер. VI междунар. семинара (Воронеж, 30 июня 2012 г.) / ФГБОУ ВПО "Воронежский гос. техн. ун-т Ин-т проблем химической физики РАН.

- Воронеж: 2012. - С. 83-88.

O'Connell, Michael. Carbon nanotubes : properties and applications / Michael O'Connell. - Boca Raton, FL: CRC/Taylor & Francis, 2006. - P. 319. Hamada, N. New one-dimensional conductors: graphitic microtubules / N. Hamada, S. Sawada, A. Oshiyama // Phys. Rev. Lett. - 1992. - Vol. 68, N 10. - P. 1579-1582.

Meyyappan, M. Carbon nanotubes : science and applications / M. Meyyappan.

- Boca Raton, FL: CRC Press, 2005. - P. 289.

Лозовик, Ю. E. Свойства и нанотехнологические применения нанотрубок / Ю. Е. Лозовик, А. М. Попов // Успехи физических наук. — 2007. — Т. 177, № 7. - С. 786-799.

Charlier, J.-C. Defects in Carbon Nanotubes / J.-C. Charlier // Acc. Chem. Res.

- 2002. - Vol. 35, N 12. - P. 1063-1069.

Iijima, Sumio. Helical microtubules of graphitic carbon / Sumio Iijima // Nature.

- 1992. - Vol. 354, N 6348. - P. 56-58.

Bright Photoluminescence from the Inner Tubes of "Peapod"-Derived DoubleWalled Carbon Nanotubes / H. Muramatsu, T. Hayashi, Y. A. Kim et al. // Small.

- 2009. - Vol. 5, N 23. - P. 2678-2682.

Noffsinger, J. Electron-phonon coupling and superconductivity in double-walled carbon nanotubes / J. Noffsinger, M. L. Cohen // Phys. Rev. B. — 2011. — Vol. 83, N 16. - P. 165420[l-5].

McMillan, W. L. Transition Temperature of Strong-Coupled Superconductors / W. L. McMillan // Phys. Rev. - 1968. - Vol. 167, N 2. - P. 331-344. Superconductivity in bundles of double-wall carbon nanotubes / W. Shi, Z. Wang, Q. Zhang et al. // Scientific Reports. - 2012. - Vol. 2. - P. 625[1-7]. Superconductivity in Ropes of Single-Walled Carbon Nanotubes / M. Kociak, A. Yu. Kasumov, S. Gueron et al. // Phys. Rev. Lett. - 2001. - Vol. 86, N 11.

- P. 2416-2419.

Superconductivity in ropes of carbon nanotubes / M. Ferrier, A. De Martino, A. Kasumov et al. // Solid State Commun. - 2004. - Vol. 131, N 9-10. -P. 615-623.

Superconducting diamagnetic fluctuations in ropes of carbon nanotubes / M. Ferrier, F. Ladieu, M. Ocio et al. // Phys. Rev. B. - 2006. - Vol. 73, N 9. -P. 094520[l-5].

Superconductivity in Entirely End-Bonded Multiwalled Carbon Nanotubes / I. Takesue, J. Haruyama, N. Kobayashi et al. // Phys. Rev. Lett. — 2006. — Vol. 96, N 5. - P. 057001 [1^].

33. Meissner effect in honeycomb arrays of multiwalled carbon nanotubes / N. Mu-rata, J. Haruyama, Y. Ueda et al. // Phys. Rev. B. - 2007. - Vol. 76, N 24. -P. 245424[1-6].

34. Nanotechnology: /'Buckypaper/' from coaxial nanotubes / M. Endo, H. Mura-matsu, T. Hayashi et al. // Nature. - 2005. - Vol. 433, N 7025. - P. 476-476.

35. Electronic structure of graphene tubules based on Сбо / R- Saito, M. Fujita, G. Dresselhaus, M. S. Dresselhaus // Phys. Rev. B. - 1992. - Vol. 46, N 3. -P. 1804-1811.

36. McEuen, P. L. Single-walled carbon nanotube electronics / P. L. McEuen, Michael S. Fuhrer, H. Park // Nanotechnology, IEEE Transactions on. — 2002.

- Vol. 1,N 1. - P. 78-85.

37. Selective Optical Property Modification of Double-Walled Carbon Nanotubes by Fluorination / T. Hayashi, D. Shimamoto, Y. A. Kim et al. // ACS Nano. — 2008. - Vol. 2, N 3. - P. 485-488.

38. Selective Tuning of the Electronic Properties of Coaxial Nanocables through Exohedral Doping / A. G. Souza Filho, V. Meunier, M. Terrones et al. // Nano Letters. - 2007. - Vol. 7, N 8. - P. 2383-2388.

39. Double-Wall Carbon Nanotubes Doped with Different Br2 Doping Levels: A Resonance Raman Study / G. M. do Nascimento, T. Hou, Y. A. Kim et al. // Nano Letters. - 2008. - Vol. 8, N 12. - P. 4168-4172.

40. Shan, B. First-principles study of work functions of double-wall carbon nanotubes / B. Shan, K. Cho // Phys. Rev. B. - 2006. - Vol. 73, N 8. -P. 081401[l-4].

41. Неоднородные электронные состояния в углеродных наноструктурах различной размерности и кривизны образующих их графеновых слоев / А. И. Романенко, А. В. Окотруб, В. Л. Кузнецов и др. // Успехи физических наук. - 2005. - Т. 175, № 9. - С. 1000-1004.

42. Conductivity enhancement in single-walled carbon nanotube bundles doped with К and Br / R. S. Lee, H. J. Kim, J. E. Fischer et al. // Nature. - 1997. - Vol. 388, N 6639. - P. 255-257.

43. Monthioux, M. Filling single-wall carbon nanotubes / M. Monthioux // Carbon.

- 2002. - Vol. 40, N 10. - P. 1809-1823.

44. Sendova, M. Comparative micro-Raman spectroscopy study of tellurium-filled double-walled carbon nanotubes / M. Sendova, E. Flahaut // J. Appl. Phys. — 2008. - Vol. 103, N 2. - P. 02431Щ-6].

45. Sendova, M. Micro-Raman scattering of selenium-filled double-walled carbon nanotubes: Temperature study / M. Sendova, L. Datas, E. Flahaut // J. Appl. Phys. - 2009. - Vol. 105, N 9. - P. 094312[l-5].

46. Ab initio study of an organic molecule interacting with a silicon-doped carbon nanotube / S. B. Fagan, R. Mota, R. J. Baierle et al. // Diamond and Related Materials. - 2003. - Vol. 12, N 3-7. - P. 861-863.

47. Synthesis, Electronic Structure, and Raman Scattering of Phosphorus-Doped Single-Wall Carbon Nanotubes / I. O. Maciel, J. Campos-Delgado, E. CruzSilva et al. // Nano Letters. - 2009. - Vol. 9, N 6. - P. 2267-2272.

48. Martin, R. M. Electronic Structure: Basic Theory and Practical Methods / R. M. Martin. — Cambridge: Cambridge University Press, 2004. — P. 650.

49. Фудзинага, С. Метод молекулярных орбиталей: пер. с японск / С. Фудзина-га. - М.: Мир, 1983. - С. 461.

50. Hohenberg, P. Inhomogeneous Electron Gas / P. Hohenberg, W. Kohn // Phys. Rev. - 1964. - Vol. 136, N 3B. - Р. B864-B871.

51. Levy, M. Universal variational functionals of electron densities, first-order density matrices, and natural spin-orbitals and solution of the v-representability problem / M. Levy // Proceedings of the National Academy of Sciences. — 1979. - Vol. 76, N 12. - P. 6062-6065.

52. Kohn, W. Self-Consistent Equations Including Exchange and Correlation Effects / W. Kohn, L. J. Sham // Phys. Rev. - 1965. - Vol. 140, N 4A. -P. A1133-A1138.

53. Szabo, A. Modern Quantum Chemistry: Introduction to Advanced Electronic Structure Theory / A. Szabo, N. S. Ostlund. Dover Books on Chemistry Series.

- Mineola, N.Y.: Dover Publications, 1996. — P. 466.

54. Troullier, N. Efficient pseudopotentials for plane-wave calculations / N. Troul-lier, J. L. Martins // Phys. Rev. B. - 1991. - Vol. 43, N 3. - P. 1993-2006.

55. Kleinman, L. Efficacious Form for Model Pseudopotentials / L. Kleinman,

D. M. Bylander // Phys. Rev. Lett. - 1982. - Vol. 48, N 20. - P. 14251428.

56. Blochl, P. E. Generalized separable potentials for electronic-structure calculations / P. E. Blochl // Phys. Rev. B. - 1990. - Vol. 41, N 8. - P. 5414-5416.

57. The SIESTA method for ab initio order- N materials simulation / J. M. Soler,

E. Artacho, J. D. Gale et al. // J. Phys.: Condensed Matter. - 2002. - Vol. 14, N 11. - P. 2745-2779.

58. Perdew, J. P. Generalized Gradient Approximation Made Simple / J. P. Perdew, K. Burke, M. Ernzerhof // Phys. Rev. Lett. - 1996. - Vol. 77, N 18. - P. 38653868.

59. Becke, A. D. Density-functional thermochemistry. III. The role of exact exchange / A. D. Becke // J. Chem. Phys. - 1993. - Vol. 98, N 7. - P. 5648-5652.

60. Lee, C. Development of the Colle-Salvetti correlation-energy formula into a functional of the electron density / C. Lee, W. Yang, R. G. Parr // Phys. Rev. B.

- 1988. - Vol. 37, N 2. - P. 785-789.

61. Дядин, Ю. А. Графит и его соединения включения / Ю. А. Дядин // Соро-совский образовательный журнал. — 2000. — Т. 6, № 10. — С. 43-49.

62. Dresselhaus, М. S. Intercalation compounds of graphite / M. S. Dresselhaus, G. Dresselhaus // Adv. Phys. - 2002. - Vol. 51, N 1. - P. 1-186.

63. Mulliken, R. S. Electronic Population Analysis on LCAO-MO Molecular Wave Functions. I / R. S. Mulliken // J. Chem. Phys. - 1955. - Vol. 23, N 10. -P. 1833-1840.

64. General atomic and molecular electronic structure system / M. W. Schmidt, К. K. Baldridge, J. A. Boatz et al. // J. Comput. Phys. - 1993. - Vol. 14, N 11.

- P. 1347-1363.

65. Gordon, M. S. Chapter 41 - Advances in electronic structure theory: {GAMESS} a decade later / M. S. Gordon, M. W. Schmidt // Theory and Applications of Computational Chemistry / Ed. by C. E. Dykstra, G. Frenking, K. S. Kim, G. E. Scuseria. - Amsterdam: Elsevier, 2005. — P. 1167-1189.

66. Hay, P. J. Ab initio effective core potentials for molecular calculations. Potentials for the transition metal atoms Sc to Hg / P. J. Hay, W. R. Wadt // J. Chem. Phys.

- 1985. - Vol. 82, N 1. - P. 270-283.

67. Koch, W. A Chemist's Guide to Density Functional Theory / W. Koch, M. C. Holthausen. - 2nd edition. - Weinheim: Wiley, 2001. - P. 313.

68. Ordejón, P. Self-consistent order-N density-functional calculations for very large systems / P. Ordejón, E. Artacho, J. M. Soler I I Phys. Rev. B. - 1996. - Vol. 53, N 16. - P. R10441-R10444.

r

69. Numerical atomic orbitals for linear-scaling calculations / J. Junquera, O. Paz, D. Sánchez-Portal, E. Artacho // Phys. Rev. B. - 2001. - Vol. 64, N 23. -P. 235111 [1—9].

70. Mendes Lima, W. J. B and N-doped double walled carbon nanotube: a theoretical study / W. J. Mendes Lima, D. L. Azevedo, S. Guerini // Central European Journal of Physics. - 2010. - Vol. 8, N 5. - P. 811-818.

71. Jorio, A. Carbon Nanotubes: Advanced Topics in the Synthesis, Structure, Properties and Applications / A. Jorio, G. Dresselhaus, M. S. Dresselhaus. — Berlin: Springer, 2008. - Vol. 111. - P. xxiv, 720 p.

72. Li, Y. F. Eelectrical Transport Properties of C59N Azafullerene Encapsulated Double-Walled Carbon Nanotube / Y. F. Li, T. Kaneko, R. Hatakeyama // Open Journal of Microphysics. - 2011. - Vol. 1, N 2. - P. 23-27.

73. Tuning of Sorted Double-Walled Carbon Nanotubes by Electrochemical Charging / M. Kalbac, A. A. Green, M. C. Hersam, L. Kavan // ACS Nano. - 2010.

- Vol. 4, N 1. - P. 459^169.

74. Registry-Induced Electronic Superstructure in Double-Walled Carbon Nanotubes, Associated with the Interaction between Two Graphene-Like Monolayers / Y. Tison, C. E. Giusca, J. Sloan, S. R. P. Silva // ACS Nano. - 2008. -Vol. 2, N10.-P. 2113-2120.

75. Panchakarla, L. S. Nitrogen- and Boron-Doped Double-Walled Carbon Nanotubes / L. S. Panchakarla, A. Govindaraj, C. N. R. Rao // ACS Nano. - 2007. -Vol. 1,N5.-P. 494-500.

76. Green, A. A. Properties and Application of Double-Walled Carbon Nanotubes Sorted by Outer-Wall Electronic Type / A. A. Green, M. C. Hersam // ACS Nano. - 2011. - Vol. 5, N 2. - P. 1459-1467.

77. Electrochemical tuning of high energy phonon branches of double wall carbon nanotubes / M. Kalbác, L. Kavan, M. Zukalová, L. Dunsch // Carbon. — 2004.

- Vol. 42, N 14. - P. 2915-2920.

78. Detailed analysis of the Raman response of n-doped double-wall carbon nanotubes / H. Rauf, T. Pichler, R. Pfeiffer et al. // Phys. Rev. B. - 2006. - Vol. 74, N23.- P. 235419[1—10].

79. Raman-active modes in finite and infinite double-walled carbon nanotubes / A. Rahmani, J.-L. Sauvajol, J. Cambedouzou, C. Benoit // Phys. Rev. B. — 2005. - Vol. 71, N 12. - P. 125402[l-7].

80. Raman evidence for atomic correlation between the two constituent tubes in double-walled carbon nanotubes / W. Ren, F. Li, R Tan, H.-M. Cheng // Phys. Rev. B. - 2006. - Vol. 73, N 11. - P. 115430[l-6],

81. In Situ Raman Study on Single- and Double-Walled Carbon Nanotubes as a Function of Lithium Insertion / Y. A. Kim, M. Kojima, H. Muramatsu et al. // Small. - 2006. - Vol. 2, N 5. - P. 667-676.

82. Electronic transport properties of Cs-encapsulated double-walled carbon nanotubes / Y. F. Li, R. Hatakeyama, T. Kaneko et al. // Appl. Phys. Lett. - 2006. -Vol. 89, N 9. - P. 093110-093110-3.

83. Chun, K. Y. Potassium doping in the double-walled carbon nanotubes at room temperature / K. Y. Chun, C. J. Lee // J. Phys. Chem. C. - 2008. - Vol. 112, N 12. - P. 4492^1497.

84. Collins, P. G. Nanotubes for Electronics / P. G. Collins, P. Avouris // Sci. Am.

- 2000. - Vol. 283, N 6. - P. 62-69.

85. Okada, S. Curvature-Induced Metallization of Double-Walled Semiconducting Zigzag Carbon Nanotubes / S. Okada, A. Oshiyama // Phys. Rev. Lett. — 2003.

- Vol. 91, N 21. - P. 216801[1^4].

86. Gao, H. First-principles study of Ru atoms and clusters adsorbed outside and inside carbon nanotubes / H. Gao, J. Zhao // J. Chem. Phys. — 2010. — Vol. 132, N 23. - P. 234704[l-7].

87. Photoluminescence from Inner Walls in Double-Walled Carbon Nanotubes: Some Do, Some Do Not / S. Yang, A. N. Parks, S. A. Saba et al. // Nano Letters. - 2011. - Vol. 11, N 10. - P. 4405-4410.

88. Coaxial nanocables of codoped double-walled carbon nanotubes / Y. Yang, X. H. Yan, D. Lu, J. X. Cao // J. Chem. Phys. - 2009. - Vol. 131, N 21.

- P. 214701 [1—4].

89. Denis, P. A. Hydrogenated double wall carbon nanotubes / P. A. Denis, F. Irib-arne, R. Faccio // J. Chem. Phys. - 2009. - Vol. 130, N 19. - P. 194704[1-10].

90. Lu, X. Curved Pi-Conjugation, Aromaticity, and the Related Chemistry of Small Fullerenes (<C60) and Single-Walled Carbon Nanotubes / X. Lu, Z. Chen // Chem. Rev. - 2005. - Vol. 105, N 10. - P. 3643-3696.

91. Half metallicity in a zigzag double-walled nanotube nanodot: An ab initio prediction / A. J. Du, Z. H. Zhu, C. H. Sun et al. // Chem. Phys. Lett. - 2009. -Vol. 468, N 4-6. - P. 257-259.

92. Pudlak, M. The electronic spectra of double-wall zig-zag carbon nanotube affected by the magnetic field / M. Pudlak, R. Pincak // J. Phys.: Conference Series. - 2010. - Vol. 248, N 1. - P. 012008[l-5].

93. Moradian, R. When double-wall carbon nanotubes can become metallic or semiconducting / R. Moradian, S Azadi, H. Refii-tabar // J. Phys.: Condensed Matter.

- 2007. - Vol. 19, N 17. - P. 176209[1-10].

94. Gao, R. Work function at the tips of multiwalled carbon nanotubes / R. Gao, Z. Pan, Z. L. Wang // Appl. Phys. Lett. - 2001. - Vol. 78, N 12. - P. 17571759.

95. Shiraishi, M. Work function of carbon nanotubes / M. Shiraishi, M. Ata // Carbon. - 2001. - Vol. 39, N 12. - P. 1913-1917.

96. Thermionic emission and work function of multiwalled carbon nanotube yarns / P. Liu, Y. Wei, K. Jiang et al. // Phys. Rev. B. - 2006. - Vol. 73, N 23. -P. 235412[1—5].

97. Work functions and valence band states of pristine and Cs-intercalated singlewalled carbon nanotube bundles / S. Suzuki, C. Bower, Y. Watanabe, O. Zhou // Appl. Phys. Lett. - 2000. - Vol. 76, N 26. - P. 4007-4009.

98. Work Functions and Surface Functional Groups of Multiwall Carbon Nano-tubes / H. Ago, T. Kugler, F. Cacialli et al. // J. Phys. Chem. B. - 1999. - Vol. 103, N38. -P. 8116-8121.

99. Direct Measurement of the Polarized Optical Absorption Cross Section of Single-Wall Carbon Nanotubes / M. F. Islam, D. E. Milkie, C. L. Kane et al. // Phys. Rev. Lett. - 2004. - Vol. 93, N 3. - P. 037404[1^].

100. Optical polarizer made of uniaxially aligned short single-wall carbon nanotubes embedded in a polymer film / S. Shoji, H. Suzuki, R. P. Zaccaria et al. // Phys. Rev. B. - 2008. - Vol. 77, N 15. - P. 153407[l-4].

101. Ni, C. Enhanced optical absorption cross-section characteristics of multi-wall carbon nanotubes / C. Ni, P. R. Bandaru // Carbon. - 2009. - Vol. 47, N 12. -P. 2898-2903.

102. Weisman, R. B. Dependence of Optical Transition Energies on Structure for Single-Walled Carbon Nanotubes in Aqueous Suspension: An Empirical Kataura Plot / R. B. Weisman, S. M. Bachilo // Nano Letters. - 2003. - Vol. 3, N 9. -P. 1235-1238.

103. Structure-Assigned Optical Spectra of Single-Walled Carbon Nanotubes / S. M. Bachilo, M. S. Strano, C. Kittrell et al. // Science. - 2002. - Vol. 298, N 5602. - P. 2361-2366.

104. Structural (n,m) Determination of Isolated Single-Wall Carbon Nanotubes by Resonant Raman Scattering / A. Jorio, R. Saito, J. H. Hafner et al. // Phys. Rev. Lett. - 2001. - Vol. 86, N 6. - P. 1118-1121.

105. G-band resonant Raman study of 62 isolated single-wall carbon nanotubes /

A. Jorio, A. G. Souza Filho, G. Dresselhaus et al. // Phys. Rev. B. — 2002. — Vol. 65, N 15. - P. 155412[l-9].

106. Anomalous two-peak G'-band Raman effect in one isolated single-wall carbon nanotube / A. G. Souza Filho, A. Jorio, A. K. Swan et al. // Phys. Rev. B. — 2002. - Vol. 65, N 8. - P. 085417[l-8].

107. Stokes and anti-Stokes Raman spectra of small-diameter isolated carbon nanotubes / A. G. Souza Filho, S. G. Chou, Ge. G. Samsonidze et al. // Phys. Rev.

B. - 2004. - Vol. 69, N 11. - P. 115428[1—8].

108. Read, A. J. Calculation of optical matrix elements with nonlocal pseudopotentials / A. J. Read, R. J. Needs // Phys. Rev. B. - 1991. - Vol. 44, N 23. -P. 13071-13073.

109. Kittel, C. Introduction to Solid State Physics / C. Kittel. — 7th edition. — New York: John Willey & Sons, 1996. - P. 689.