Диплом, курсовая, контрольная работа
Помощь в написании студенческих работ

Исследование зависимости процесса образования фуллеренов и металлофуллеренов от параметров углеродсодержащей плазмы

Диссертация: Исследование зависимости процесса образования фуллеренов и металлофуллеренов от параметров углеродсодержащей плазмы
ДиссертацияПомощь в написанииУзнать стоимостьмоей работы

Фуллерены, а также их производные, являются перспективными нанообъектами для создания новых материалов с различными свойствами: полупроводников, сегнетоэлектриков, сверхпроводников. Кроме того, существует множество других областей для применения фуллереновоптоэлектроника, химия, фармакология и другие. Однако широкое применение фуллеренов сдерживается низкой производительностью методов… Читать ещё >

Содержание

  • ГЛАВА 1. ОБЗОР МОДЕЛЕЙ ОБРАЗОВАНИЯ ФУЛЛЕРЕНОВ И МЕТОДОВ СИНТЕЗА
    • 1. фуллерен — аллотропная модификация углерода
    • 2. Модели образования фуллеренов
    • 3. Квантово- химические методы моделирования молекулярных систем
    • 4. Методы синтеза фуллеренов
    • 5. Синтез фуллеренов и параметры плазмы
  • ГЛАВА 2. КВАНТОВО-ХИМИЧЕСКИЕ РАСЧЕТЫ ЭНЕРГИЙ ОБРАЗОВАНИЯ, ПОТЕНЦИАЛОВ ИОНИЗАЦИИ И СРОДСТВА К ЭЛЕКТРОНУ УГЛЕРОДНЫХ КЛАСТЕРОВ
    • 1. Расчеты энергии образования углеродных кластеров
    • 2. Структура углеродных кластеров
    • 3. Потенциал ионизации и сродство к электрону углеродных кластеров
    • 4. Влияние концентрации электронов на образование фуллерена С
  • ГЛАВА 3. ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАВИСИМОСТИ СКОРОСТИ ОБРАЗОВАНИЯ ФУЛЛЕРЕНА С60 ОТ КОНЦЕНТРАЦИИ ЭЛЕКТРОНОВ И ТЕМПЕРАТУРЫ
    • 1. Сборка С60 на примере отдельных реакций
    • 2. Скорость образования фуллерена С60 в зависимости от параметров плазмы
    • 3. Влияние волн электронной концентрации на скорость образования фуллерена С60 из углеродных кластеров
  • ГЛАВА 4. ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАВИСИМОСТИ СКОРОСТИ ОБРАЗОВАНИЯ МЕТАЛЛОФУЛЛЕРЕНОВ В УГЛЕРОДНОЙ ПЛАЗМЕ ОТ КОНЦЕНТРАЦИИ ЭЛЕКТРОНОВ И ТЕМПЕРАТУРЫ НА ПРИМЕРЕ МЕ@С
    • 1. Сборка металлофуллеренов Ме@С84 на примере отдельных реакций
    • 2. Скорость образования металлофуллеренов Ме@С84 в зависимости от концентрации электронов и температуры
    • 3. Влияние волн электронной концентрации на скорость образования металлофуллеренов Ме@с84 из углеродных кластеров

Исследование зависимости процесса образования фуллеренов и металлофуллеренов от параметров углеродсодержащей плазмы (реферат, курсовая, диплом, контрольная)

Объект исследования и актуальность темы.

Наноразмерные материалы являются одним из самых быстроразвивающихся и востребованных направлений современной науки. Вызванный ими научный бум продолжается уже двадцать лет. Особые строение и свойства наноматериалов представляют значительный научный интерес, так как являются промежуточными между строением и свойствами изолированных атомов и массивного (объемного) твердого тела.

Фуллерены, а также их производные, являются перспективными нанообъектами для создания новых материалов с различными свойствами: полупроводников, сегнетоэлектриков, сверхпроводников. Кроме того, существует множество других областей для применения фуллереновоптоэлектроника, химия, фармакология и другие. Однако широкое применение фуллеренов сдерживается низкой производительностью методов их получения, поэтому необходимой задачей в настоящее время является создание эффективного управляемого синтеза фуллеренов и их соединений. Эта задача тесно связана с исследованием процессов образования фуллеренов и их производных, которое невозможно без развития теоретических подходов к этим процессам. Поэтому актуальными на сегодняшний день являются теоретические исследования процессов формирования фуллеренов и их производных.

Известно, что фуллерены образуются при конденсации углеродного пара. Существует множество моделей образования фуллеренов, но до сих пор очень мало внимания уделялось тому факту, что все эффективные методы синтеза фуллеренов — плазменные. Это означает, что конденсирующийся углеродный пар находится в частично ионизованном состоянии. Углеродный кластер может нести на себе как положительный, так и отрицательный заряд, в зависимости от потенциала ионизации и сродства к электрону, а также параметров плазмы. Заряд углеродного кластера может оказывать влияние на форму кластера, на его энергию связи, на взаимодействие кластеров друг с другом. В связи с этим, заряды углеродных кластеров будут влиять на эффективность образования фуллеренов в плазме. Основными параметрами, с помощью которых можно управлять плазмой в целом, являются ее температура и концентрация электронов. Эти параметры оказывают влияние на заряды кластеров, а значит и на сечения их столкновений друг с другом. Меняя концентрацию электронов и температуру можно управлять синтезом фуллеренов. Необходимо добавить, что в работе [61 ] экспериментально было установлено, что образование фуллеренов в плазме идет более эффективно, чем в электронейтральном углеродном паре. Нам удалось найти только одну работу, посвященную теоретическому исследованию влияния параметров плазмы на процесс образования фуллеренов [63]. Авторами решалась кинетическая задача образования углеродных кластеров в плазме на выходе из межэлектродного зазора. Однако параметрами задачи служила только одна из возможных геометрий разряда [18], кроме того, не учитывались отрицательные ионы, хотя углеродные кластеры имеют достаточно большое сродство к электрону.

Поскольку, данный вопрос недостаточно исследован и освещен в литературе, актуальным является дальнейшее развитие теоретических исследований влияния параметров плазмы на образование фуллеренов и их производных.

В связи с вышеизложенным, целью диссертационной работы является исследование влияния параметров плазмы на процесс образования фуллеренов и металлофуллеренов. В соответствии с целью исследования были поставлены следующие конкретные задачи:

1. На основе квантово-химических расчетов углеродных кластеров: а) определить потенциалы ионизации и сродство к электрону углеродных и металло-углеродных кластеров имеющих различные размеры и структурыб) исследовать влияние зарядов кластеров на их энергии связи и энергии образования.

2. Исследовать зависимость скорости образования фуллерена Сбо в частично ионизованном углеродном паре при различных температурах и концентрациях электронов путем расчетов в рамках классической теории столкновений с использованием данных, полученных в п. 1.

3. Исследовать зависимость скорости образования металлофуллеренов Ме@См с различными металлами в частично ионизованном углеродном паре в зависимости от температуры и концентрации электронов также путем расчетов в рамках классической теории столкновений.

4. На основе проведенных исследований определить основные концепции управляемого синтеза фуллеренов и металлофуллеренов.

Структура диссертации.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы.

Основные результаты.

1. Методом псевдопотенциала рассчитаны потенциалы ионизации, сродство к электрону и сродство аниона к электрону для ряда углеродных кластеров С2, С4, Сю, С18, С2о, С21, Сзь С40, С42, С6о, С70, С8о и для ряда металло-углеродных кластеров МеС2, МеС)0, МеС2, МеС3ь МеС42, Ме@Сбо, Ме@С70, Ме@Сзо (с металлами Ме = Бс, Бе, Р1-) различной структуры.

2. Проведенные расчеты показали, что скорости образования фуллерена С6о и металлофуллеренов Ре@С84, 8с@С84 и Р1@С84 в углеродсодержащей плазме существенно зависят от концентрации электронов и могут изменяться в пять раз и более при изменении концентрации электронов на порядок.

3. Показано, что существует область параметров углеродсодержащей плазмы (концентраций электронов и температур), в которой колебания концентрации электронов повышают скорость образования фуллеренов и металлофуллеренов.

4. Установлено, что при учете зарядов углеродных кластеров, наибольшую скорость образования фуллерена Сбо дают реакции роста крупных кластеров путем присоединения малого кластера С2, которая в 5−10 раз превышает скорость образования фуллерена С60 из кластеров, размеры которых близки.

5. В рамках рассмотренных схем сборки металлофуллерена Ме@С84 с металлами 8с, У, Бе, №, Р^ 1 г показано, что из указанных металлов наиболее эффективно должны образовывать металлофуллерен скандий и железо, обладающие меньшими потенциалами ионизации, а наименее эффективно — платина и иридий, обладающие наибольшими потенциалами ионизации, что качественно согласуется с экспериментальными данными.

Заключение

.

В работе получила дальнейшее развитие идея влияния концентрации электронов и температуры на образование фуллеренов и металлофуллеренов.

В работе было показано, что величины зарядов кластеров существенно влияют на энергетику образования фуллеренов. Величина и знак заряда кластера определяются параметрами плазмы — концентрацией электронов и температурой. Поэтому эти параметры влияют на скорости образования фуллеренов и металлофуллеренов, которые зависят от сечений столкновений заряженных кластеров. Управляя соотношением концентрации электронов и температуры можно управлять синтезом фуллеренов и их производных. В реальных условиях во время формирования углеродных кластеров, в том числе фуллеренов, углеродсодержащая плазма постепенно остывает, удаляясь от горячего центра газового разряда, при этом постепенно спадает электронная концентрация, и происходит перераспределение зарядов углеродных кластеров. Из соображений, приведенных в работе, следует, что если этот спад в среднем будет идти вблизи «траектории» равновесной концентрации, то выход фуллеренов будет максимальным. Естественно, реальная зависимость концентрации электронов от температуры может отличаться от равновесной. В этом случае ею можно управлять, например, путем введения в плазму присадок щелочных металлов (доноры электронов), галогенов (акцепторы электронов) или пылевых частиц, которые, в зависимости от их размера, могут как поглощать, так и эмиттировать электроны. А также можно управлять синтезом фуллеренов и металлофуллеренов, создавая в плазме вынужденные ионизационные колебания, хотя в этом случае необходимы строгие кинетические расчеты с учетом отношения периода колебаний и характерных времён образования фуллеренов. Таким образом, результаты данной работы показывают возможность управления синтезом фуллеренов и их производных путем изменения концентрации электронов и температуры в плазме.

Показать весь текст

Список литературы

  1. Г. Н., Федоров А. С., Новиков П. В. Образование фуллерена С60 в частично ионизованном углеродном паре // Письма в ЖЭТФ, 2002, том 76, вып.8, с.604−608.
  2. Churilov G.N., Fedorov A.S., Novikov P.V. Influence of electron concentration and temperature on fullerene formation in a carbon plasma // Carbon, 2003, v.41, No. l, p.173−178.
  3. Churilov G.N., Novikov P.V., Taraban’ko V.E., Lopatin V.A., Vnukova N.G., Bulina N.V. On the mechanism of fullerene formation in a carbon plasma // Carbon, 2002, v.40, No.6, p.891−896.
  4. Churilov G.N., Novikov P.V., Lopatin V.A., VnukovaN.G., Bulina N.V., Bachilo S.M., Tsyboulski D., Weisman R.B. Electron density as the main parameter influencing the formation of fullerenes in a carbon plasma.// ФТТ, 2002, t.44, вып. З, c.406−409.
  5. Г. Н., Новиков П. В., Тарабанько B.E. Влияние концентрации электронов в плазме на образование углеродных кластеров // Химия растительного сырья, 2001, № 1, с.101−104.
  6. Г. Н., Лопатин В. А., Новиков П. В., Внукова Н. Г. Методика и устройство для исследования динамики разрядов переменного тока. Стратификация разряда в потоке аргона при атмосферном давлении. // ПТЭ, 2001, № 4, с. 105−109.
  7. Г. Н., Внукова Н. Г., Новиков П. В., Лопатин В. А. Ионизационные волны и синтез фуллеренов. // Материалы Всероссийской научной конференции по физике низкотемпературной плазмы ФНТП-2001, Петрозаводск, июль 2001, т.2, с. 149−152.
  8. Churilov G.N., Lopatin V.A., Novikov P.V., Vnukova N.G. The arc discharge of kilohertz frequency range with hollow water-cool copper electrode // Proceedings of 12th Symposium of High Current Electronics, Tomsk, Russia, 2000. Vol.2. P.223−225.
  9. Д.А., Гальперн Е. Г. О гипотетических системах: карбододекаэдре, s-икосаэдре и карбо-5-икосаэдре. // ДАН СССР. Сер. хим. 1973. Т.209. С. 610.
  10. Kroto H.W., Heath J.R., O’Brien S.C., Curl R.F., Smalley R.E. C60: Buckminsterfullerene. //Nature, 1985, v.318, No.6042, p.162−163.
  11. Kratschmer W., Fostiropoulos K., Huffman D.R. The success in synthesis of macroscopic quantities of Сбо- // Chem. Phys. Lett. 1990. Vol.170. P. 167.
  12. A.B. // УФН, 1994. T.164. N9. C. 1007−1009.
  13. A.A. Богданов, Д. Дайнингер, Г. А. Дюжев. Перспективы развития промышленных методов производства фуллеренов. Обзор. // ЖТФ, 2000, т.70, в.5, с.1−7.
  14. А.В. Елецкий. Эндоэдральные структуры. // УФН, 2000, т. 170, № 2, с. 113.
  15. J.R. Heath, S.C. O’Brien, Q. Zhang, Y. Liu, R.F. Curl, H.W. Kroto, F.K. Tittel, R.E. Smalley. Lanthanum Complexes of Spheroidal Carbon Shells. // J. Am. Chem. Soc. 107 (1985) 7779.
  16. Y. Chai, T. Guo, C. Jin, R.E. Haufler, L.P.F. Chibante, J. Fure, L. Wang, J.M. Alford, R.E. Smalley. Fullerenes with Metals Inside. // J. Phys. Chem. 95 (1991)7564.
  17. H. Shinohara, H. Sato, Y. Saito, M. Ohkohchi, Y. Ando. Mass spectroscopic and ESR characterization of soluble yttrium-containing metallofullerenes YC82 and Y2C82. // J. Phys. Chem. 96 (1992) 3571.
  18. K. Kikuchi, S. Suzuki, Y. Nakao, N. Nakahara, T. Wakabayashi, H. Shiromaru, K. Saito, I. Ikemoto, Y. Achiba. solation and characterization of the metallofullerene LaC82. // Chem. Phys. Lett. 216 (1993) 23.
  19. M. Takata, B. Umeda, E. Nishibori, M. Sakata, Y. Saito, M. Ohno, H. Shinohara. Confirmation by X-ray diffraction of the endohedral nature of themetallofullerene Y@C82- U Nature 377 (1995) 46.
  20. Ю.Е. Лозовик, A.M. Попов. Образование и рост углеродных наноструктур фуллеренов, наночастиц, нанотрубок и конусов. // УФН, 1997, t.167,No.7, 751−774.
  21. T.W. Ebbesen, J. Tabuchi, К. Tanigaki. The mechanistics of fullerene formation. // Chem. Phys. Lett. 1992. Vol.191. P.336−338.
  22. R.F. Curl, R.E. Smalley.// Science, 1988, v.242, p. 1017.
  23. Smalley RE. Self-assembly of the fullerenes. // Ace. Chem. Res. 1992. Vol.25. P.98−105.
  24. Hunter J., Fye J., Jarrold M.F. Annealing C60: synthesis of fullerenes and large carbon rings. // Science. 1993. Vol.260. P.784−786.
  25. Hunter J., Fye J., Roskamp E J., Jarrold M.F.. Annealing carbon cluster ions: a mechanism for fullerene synthesis. //J. Phys. Chem. 1994. Vol.98. P.1810−1818.
  26. T. Wakabayachi, Y- Achiba.//Chem. Phys. Lett., 1992, v. 190, p.465.
  27. VonHelden G., Hsu M.T., Gotts N., Bowers M.T. Carbon cluster cations with up to 84 atoms: structures, formation mechanism, and reactivity. // J. Phys. Chem. 1993. Vol.97. P.8182−8192.
  28. S.W. McElvany et al.// Science, 1993, v.259, p. 1594.
  29. Т.Ю. Астахова, Г. А. Виноградов, Ш. А. Шагинян. Моделирование образования фуллеренов методом молекулярной динамики. // Жур. Физ. Химии, 1997, т.71, № 2, с.310−312.
  30. X. Jing, J.R. Chelikowsky.// Phys. Rev. В. 1992, v.46, p.5028.
  31. S. Saito, S. Sawada. // Chem. Phys. Lett., 1992, v. 198, p.466.
  32. Y. Yamaguchi and S. Maruyama. A molecular dynamics study on the formation of metallofullerene// Eur. Phys. J. D, 1999, v.9, p.3 85−388.
  33. J. Cioslowski. Electronic structure calculations on fullerenes and their derivatives. Oxford University Press, New York, 1995.
  34. C.C.J. Roothaan, New developments in molecular orbital theory, Rev. Mod. Phys. 1951. Vol.23. P.69.42
Заполнить форму текущей работой

На отлично!