Книжник Андрей Александрович Многоуровневое моделирование углеродных наноструктур и приборов на их основе

ISAN Елецкий А.В. Лебедева И.В. Искандарова И.М. Попов А.М. Лозовик Ю.Е. Красиков Д.Н. Гавриков А.В. Потапкин Б.В.

Углеродные нано- структуры Моделиро- вание приборов на основе С наноструктур Моделиро- вание преобразо- ваний С наноструктур Моделиро- вание роста С нано- структур Моделиро- вание материалов из С нано- структур

Механизм роста УНТ Основные стадии Газофазные превращения углеводородов Адсорбция и диссоциация молекул углеводородов Диффузия атомов углерода Нуклеация Стационарный рост Дезактивация катализатора и прекращение роста M. Grujicic et. al. Appl. Surf. Sci. 199, 90 (2002) A. C. Lysaght et. al. Nanotechnology 20, (2009)

Кинетическая модель роста УНТ Детальный кинетический механизм газофазных превращений углеводородов Детальный кинетических механизм поверхностных реакций углеводородов Кинетические параметры модели определены на основе первопринципных расчетов Формализм поверхностных центров

Путь реакции разложения метана на поверхностях Ni Кинетика диссоциации углеводородов CH4 (111) (113) Первопринципные расчеты с базисом плоских волн с использованием VASP Поверхности Ni(111) и Ni (113) Метод упругой ленты (NEB) для расчета путей реакций Подход T. P. Beebe et. al. J. Chem. Phys. 87, 2305 (1987); I. Chorkenforff et. al. Surf. Sci. 227, 291 (1990); F. Abild-Pedersen et. al. Surf. Sci. 590, 127 (2005) M. Moors et. al. ACS Nano 3, 511 (2009)

C2H2 (111) (113) Кинетика диссоциации углеводородов C2H4 (111) (113) Детальный кинетический механизм диссоциации, гидрирования и десорбции углеводородов R. T. Vang et. al. Surf. Sci. 600, 66 (2006); J. W. Medlin et. al. J. Phys. Chem. B 107, 217 (2003).

Кинетическая модель роста УНТ Детальный кинетический механизм газофазных превращений углеводородов Детальный кинетических механизм поверхностных реакций углеводородов Кинетические параметры модели определены на основе первопринципных расчетов Формализм поверхностных центров

Рост УНТ из чистых углеводородов поверхностно- контролируемый режим E a ~ эВ Слабая зависимость от P адсорбционно- контролируемый режим Слабая зависимость от T C 2 H 2 C 2 H 4 CH 4 ____ (111) _ _ _ (113) T = 1000 K

Газофазная диффузия диффузионно- контролируемый режим Слабая зависимость от T эксп. расчеты поверхностно- контролируемый режим Liu K et al Carbon 2005; 43:2850–6. C 2 H 2 +Ar, 330 sccm, P=1 atm, T=953 K

Режимы роста УНТ C2H2C2H2 C2H4C2H4

Манипуляция структурой отдельных нанообъектов Вырезание цепочки углерода из графена Преобразование чешуйки графена в фуллерен C. Jin et. al. Phys. Rev. Lett. 102, (2009) A.Chuvilin et. al. Nature Chemistry 2, 450 (2010).

прямоугольный слой графена из 300 атомов Предложенный механизм Большое количество дефектов образуются на краях листа, повышая энтропию системы. На углах плотность дефектов особенно велика. Сворачивание происходит, когда плотность дефектов на одном из углов достигает критического значения Время сворачивания ~ 1 нс при 3500 K И. В. Лебедева, А. А. Книжник, Б. В. Потапкин, Химическая физика 26, 94 (2007) I.V. Lebedeva, A.A. Knizhnik, B.V. Potapkin, A.A. Bagaturyants, Physica E 40, 2589 (2008) Преобразование углеродных наноструктур A. Chuvilin, U. Kaiser, E. Bichoutskaia, N.A. Besley, A,N. Khlobystov, Nature Chemistry, 2, 450 (2010).

Преобразование углеродных наноструктур

Calculated average times of Ni-assisted folding of graphene flakes (in ns) as functions of the reciprocal of temperature (in K -1 ) for the free C 96 flake (triangles), for the C 96 flake with the Ni 13 cluster (squares), for the free C 384 flake (diamonds) and for the C 384 flake with the Ni 79 cluster (circles). Наличие катализатора снижает барьер для сворачивания графена Преобразование углеродных наноструктур

Относительное движение слоев углеродных наноструктур Cumings et. al. Science 289, 602 (2000) Kis et. al. Phys. Rev. Lett. 97, (2006) Zheng et. al. Phys. Rev. Lett. 100, (2008) Dienwiebel et. al. Phys. Rev. Lett. 92, (2004) Fennimore et. al., Nature 424, 408 (2003) Bourlon et. al. Nano Lett. 4, 709 (2004) Barreiro et. al., Science 320, 775 (2008) Subramanian et. al. Nanotechnology 18, (2007) Deshpande et. al. Nano Lett. 6, 1092 (2006) Наномотор, основанный на относительном вращении слоев УНТ

Использование углеродных наноструктур в НЭМС нанореле нанопривод нанотермометр наноосциллятор ДУНТ ячейки памяти L. Maslov, Nanotechnology (2006) B. Bourlon et. al. Nano Lett. 4, 709 (2004) A. Barreiro et.al. Science 320, 775 (2008) Popov AM et al. Phys. Status Solidi A (2007)

Особенности взаимодействия слоев УНТ Рельеф поверхности потенциальной энергии для относительного смещения слоев МУНТ Предложено использование МУНТ для НЭМС, таких как, наноподшипник, наномотор, нано-реле, наноосциллятор Телескопическое смещение слоев МУНТ F vdW При телескопическом смещении возникает возвращающая сила Ван-дер-Ваальса

Многомасштабный подход

Расчеты добротности осциллятора обратно пропорциональна температуре не зависит от длины не зависит от способа терминирования концов несоизмеримых >> соизмеримых Добротность осциллятора E – энергия колебаний, ΔE – потери энергии колебаний за период I.V. Lebedeva, A.A. Knizhnik, A.M. Popov, Yu.E. Lozovik and B.V. Potapkin, Nanotechnology 20, (2009). C.-C. Ma et.al. Nanotechnology 16, 1253–1264 (2005); W. Guo et. al. Phys. Rev. Lett. 91, (2003);…

Влияние дефектов на добротность и флуктуации в осцилляторе дефект Стоуна-Велса вакансия Неравновесный уровень флуктуаций Добротность существенно понижается и слабо зависит от температуры дефекты

Управляемые колебания осциллятора Даже при внешней силе, превышающей критическую, возможен срыв колебаний осциллятора. Необходима модель, позволяющая предсказывать поведение осциллятора на больших временах. 3 нм, ДУНТ E(r)E(r) 60.5 V61.4 V О. В. Ершова и др. ЖЭТФ, 134, 762 (2008); 110 нм 100 нм О. В. Ершова и др., ФТТ, 49, 1914 (2007)

Область устойчивости осциллятора Уравнение Ланжевена для осциллятора Область устойчивости начальный сдвиг фаз Перенапряжение Начальный сдвиг фаз Отклонение частоты Область устойчивости Повышением амплитуды управляющей силы удается увеличить интервалы сдвига фаз и отклонения частоты, в которых происходит выход колебаний в стационарный режим O.V. Ershova, I.V. Lebedeva et. al. Phys. Rev. B 81, (2010).

Время существования стационарного режима Среднее время стационарных колебаний ДУНТ, рассчитанные на основе численного решения уравнения Ланжевена Повышение амплитуды управляющей силы увеличивает среднее время стационарных колебаний ДУНТ, а рост шума в системе уменьшает это время. Время стационарных колебаний Перенапряжение

Относительное движение слоев графена Рельеф поверхности потенциальной энергии для относительного смещения слоев графена Телескопическое смещение слоев F vdW Предложено использование многослойного графена для НЭМС, таких как наноосциллятор, нанорезонатор, нанореле, по аналогии с МУНТ Q. Zheng et. al. Phys. Rev. Lett., 2008, 100, мэВ/ атом (Å)(Å)

Взаимодействие слоев графена DFT-D расчеты рельефа потенциальной энергии взаимодействия слоев ячейка Å x Å x 20 Å VASP функционал PBE-D Максимальная кин. энергия плоских волн 400 эВ Сетка k-точек 24x36x1 (V. Barone, et.al. J. Comp. Chem., 2008, 30, 934) потенциал Колмогорова-Креспи A. N. Kolmogorov and V. H. Crespi, Phys. Rev. B, 2005, 71, потенциал Леннарда-Джонса DFT-D (мэВ/ атом) (Å)(Å) эксп. данные для графита DFT-D I. V. Lebedeva, A. A. Knizhnik, A. M. Popov, Yu. E. Lozovik, B. V. Potapkin, Phys. Chem. Chem. Phys. 13, 5687 (2011).

НЭМС на основе графена x Возбуждением поперечных колебаний Возбуждением изгибовых колебаний Низкая добротность Q ~ 10 – 100 нанорезонатора на основе графена связана с Добротность гигагерцового осциллятора на основе графена Q

Зависимость энергии чешуйки графена от угла поворота (Å)(Å) (Å)(Å) мэВ/ атом соизмеримое состояние несоизмеримое состояние При повороте в несоизмеримое состояние препятствия на пути чешуйки исчезают и она может двигаться на большие расстояния Dienwiebel et. al. Phys. Rev. Lett. 92, (2004)

(нс) Моделирование диффузии чешуйки Диффузия чешуйки из 200 атомов при 300 K соизмеримое состояние, медленная диффузия несоизмеримое состояние, быстрая диффузия I.V. Lebedeva, A.A. Knizhnik et. al. Phys. Rev. B 82, (2010).

Анализ механизмов диффузии энергия поворота в несоизмеримое состояние барьер для перехода между соседними минимумами максимумы энергии диффузия происходит за счет перескоков чешуйки между соседними минимумами энергии в соизмеримом состоянии диффузия происходит за счет поворота чешуйки в несоизмеримое состояние диффузионный коэффициент достигает предела, определяемого трением см 2 /c полный коэф. дифф. в соизм. сост.

Thermal conductivity of graphene S. Ghosh et al, APL 92, (2008) The extremely high thermal conductivity in the range of 3080–5150 W/m K and phonon mean free path of 775 nm near room temperature. Exceeds graphite and CNT thermal conductivity ( W/mK) Experiment: thermal conductivity depends on the number of graphene layers Theory: thermal conductivity of graphene increases with length Thermal conductivity of supported graphene

Thermal conductivity of graphene/graphite Non-equilibrium MD modeling High-performance molecular dynamics simulations should be used to model transport in real scale graphene flakes: Flake sizes: micron scale Number of atoms: > 100,000 efficient parallel MD algorithms are required for many-body interatomic potentials (Tersoff, Brenner) Domain decomposition method was adapted for NEMD calculations

Thermal conductivity of graphene/graphite Significant reduction of thermal conductivity at vacancy density about 1% Significant reduction of thermal conductivity at OH group density about 1% Influence of defects on thermal conductivity of graphene

Наноуглеродные материалы Нанокомпозиты с УНТ Улучшенные механические свойства Высокая электропроводность Увеличенная теплопроводность Перколяционный порог

35 Green function of the device Surface Green function of the lead Device Hamiltonian Self-energy of the lead Transmission coefficient Small basis size is required to reduce Hamiltonian size and hence to accelerate first-principles calculation of electronic Transport Atomistic model Расчет контактного сопротивления Contact model

Нанокомпозиты с УНТ Контактное сопротивление Рассчитанные значения 100кОм – 10 МОм Зависит от структуры контакта Может лимитировать проводимость нанокомпозита

Углеродные нано- структуры Моделиро- вание приборов на основе С наноструктур Моделиро- вание преобразо- ваний С наноструктур Моделиро- вание роста С нано- структур Моделиро- вание материалов из С нано- структур Структура в зависимости от условий получения Свойства в зависимости от структуры материала и прибора