Электронная структура золотых нанотрубок хиральности (5,0) в модели Хаббарда 

Геннадий Иванович Миронов, доктор физико-математических наук, доцент, профессор кафедры физики и материаловедения, Марийский государственный университет (Россия, г. Йошкар-Ола, пл. Ленина, 1), E-mail: mirgi@marsu.ru
Анжелика Геннадиевна Пекпатрова, магистрант, Марийский государственный университет (Россия, г. Йошкар-Ола, пл. Ленина, 1), E-mail: apekpatrova@mail.ru 

538.911 

DOI

10.21685/2072-3040-2021-4-11 

Актуальность и цели. Экспериментальному и теоретическому изучению нанотрубок из атомов золота в настоящее время уделяется большое внимание в связи с большим потенциалом их применения в различных сферах: материаловедении, катализе, в современной электронике, противоопухолевой медицине. Целью настоящей работы является сравнительное изучение электронных структур открытых и закрытых золотых нанотрубок (5,0), состоящих из конечного числа атомов Au (от 45 до 257) по мере возрастания длины золотой нанотрубки. Материалы и методы. Для описания золотой структуры золотых нанотрубок в рамках гамильтониана Хаббарда предложена модель, в которой атомы Au представлены в виде иона Au+, вокруг которого движется d-электрон, ответственный в нанотрубках за транспортные свойства. В нанотрубках d-электроны могут перескакивать от одного атома к соседнему атому, поскольку волновые функции соседних атомов перекрываются. Если в результате перескока электрона на одном узле окажутся два d–электрона, необходимо учесть энергии их кулоновского взаимодействия. Система d-электронов нанотрубках из атомов Au является сильно коррелированной системой. Результаты. Вычислены фурье-образы гриновской антикоммутаторной функции, полюса которых определяют спектр элементарных возбуждений рассматриваемых наноструктур из атомов Au. Определена плотность электронного состояния исследуемых квантовых систем, получено уравнение на химпотенциал для каждой изучаемой наноструктуры. Проведено сравнение электронных структур открытых и закрытых золотых нанотрубок, показано изменение электронных структур нанотрубок из атомов золота при увеличении количества атомов в нанотрубке. Выводы. Из исследований можно сделать вывод о том, что при увеличении длины нанотрубки ширина зоны запрещенных энергий уменьшается. Как открытые, так и закрытые нанотрубки из атомов металла Au, изучаемые в работе, обладают полупроводниковыми свойствами. Добавление двух атомов (узлов), закрывающих нанотрубку ведет не только к появлению дополнительного уровня энергии, но и к перестройке всего спектра. По мере увеличения размера нанотрубки влияние «шапок» как на перестройку энергетического спектра, так и на плотность состояния электронов постепенно уменьшается. Ширина зоны запрещенных энергий по мере роста нанотрубки постепенно уменьшается и стремится к нулю, когда число атомов в нанотрубке становится порядка 250. По ходу графиков зависимостей на рис. 2 мы прогнозируем, что при росте золотых нанотрубок (5,0) имеет место лишь переход полупроводник–металл без явления перехода при увеличении длины нанотрубки обратно в полупроводниковое состояние, как это следует из работы X. P. Yang и J. M. Dong (2005). 

Ключевые слова

открытая и закрытая золотые нанотрубки, энергетический спектр, химический потенциал, плотность электронного состояния 

 Скачать статью в формате PDF

1. Yarzhemsky V. G., Battocchio C. The Structure of Gold Nanoparticles and Au Based Thiol Self-Organized Monolayers // Russ. J. Inorgan. Chem. 2011. Vol. 56, № 14. P. 2147–2159.
2. Oshima Y., Onga A., Takayanagi K. Helical gold nanotube synthesized at 150 K // Phys. Rev. Lett. 2003. Vol. 91, № 20. P. 205503-1–205503-2.
3. Haruta M. Gold rush // Nature. 2005. Vol. 437. P. 1098–1099.
4. Миронов Г. И. Исследование нанокластеров из атомов золота в рамках модели Хаббарда // Физика металлов и металловедение. 2008. Т. 105, № 4. С. 355–365.
5. Миронов Г. И. Вычисление функций Грина для наноструктур в модели Хаббарда в приближении статистических влуктуаций // Физика металлов и металловедение. 2006. Т. 102, № 6. С. 611–620.
6. Миронов Г. И. Электронная структура и спектры оптического поглащения золотых фуллеренов Au16 и Au20 // Физика твердого тела. 2019. Т. 61, № 6. С. 1204–1213.
7. Dyachkov P. N. Electronic structureof boron nitride nanotubes interecalated with transition metals // Russian Journal of Inorganic Chemistry. 2014. Vol. 59, № 12. P. 1454–1461.
8. Миронов Г. И. Наносистемы в модели Хаббарда в приближении статических флуктуаций // Физика твердого тела. 2006. Т. 48, № 7. С. 1299–1306.
9. Hubbard J. Electron Correlations in Narrow Energy Bands // Proceeding of the Royal Society. 1963. Vol. 276. P. 238.
10. Миронов Г. И. Наносиситемы в модели Хаббарда в приближении статических флуктуаций // Физика твердого тела. 2006. Т. 48, № 7. С. 1299–1306.
11. Филиппова Е. Р., Миронов Г. И. Энергетический спектр одностенных углеродных нанотрубок типа зигзаг в модели Хаббарда в приближении статических флуктуаций // Физика низких температур. 2017. Т. 43, № 6. С. 902–908.
12. Миронов Г. И., Филиппова Е. Р. Исследование структурных элементов золотых нанотрубок в Модели Хаббарда // Физика металлов и металловедение. 2012. Т. 113, № 1. С. 11–21.
13. Филиппова Е. Р., Миронов Г. И. Исследование золотых нанотрубок хиральностей (4,3) и (5,3) в модели Хаббарда // Физика твердого тела. 2012. Т. 54, № 8. С. 1600.
14. Изергин Э. Д., Миронов Г. И. Фуллерены C24 в модели Хаббарда // Физика низких температур. 2007. Т. 33, № 12. С. 1365–1370.