Особенности взаимодействия атомов углерода на поверхности и в объеме монокристаллов железа, никеля и сплавов на их основе тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.07, кандидат физико-математических наук Мутигуллин, Илья Васылович

• Мутигуллин, Илья Васылович
• кандидат физико-математических наук
• 2010

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Мутигуллин, Илья Васылович

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР.

1.1. Методы получения и основные характеристики углеродных наноматериалов.

1.2. Влияние металлических катализаторов на процесс синтеза углеродных нанонитей.

1.3. Теоретические модели роста углеродных нанонитей.

1.4. Теоретические исследования взаимодействия атомарного углерода с металлическими катализаторами.

1.5. Постановка задачи.

ГЛАВА 2. МЕТОДИКА РАСЧЕТОВ ИЗ ПЕРВЫХ ПРИНЦИПОВ ЭЛЕКТРОННОЙ

СТРУКТУРЫ ТВЕРДЫХ ТЕЛ В РАМКАХ ТЕОРИИ ФУНКЦИОНАЛА ПЛОТНОСТИ.

2.1. Основы теории функционала электронной плотности.

2.2. Приближения для обменно-корреляционного функционала.

2.3. Решение уравнений Кона-Шэма и метод псевдопотенциала.

2.4. Схема проведения первопринципных расчетов.

ГЛАВА 3. ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ.

3.1. Исследование растворимости углерода в кристаллических структурах Fe, Ni и их соединений (FeNi3, FeNi, FesNi).

3.2. Исследование адсорбции одиночных атомов углерода на поверхностях (001) и

111) железа, никеля и FeNi3.

3.3. Исследование кластеризации углеродных адатомов на поверхностях (001) и (111) железа.

3.4. Исследование влияния коллективного взаимодействия атомов углерода на образование монослоев углерода на поверхностях железа (001) и (111).

3.5. Исследование влияния концентрации атомов углерода на поверхностях (001) и (111) железа, никеля и соединения FeNi3 на формирование твердого раствора внедрения в подповерхностном слое.

ВЫВОДЫ.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Особенности взаимодействия атомов углерода на поверхности и в объеме монокристаллов железа, никеля и сплавов на их основе»

Развитие существующих технологий и появление новых требуют инновационных решений от науки о материалах. Активно исследуемые в последние годы углеродные наноструктуры (нанотрубки, нановолокна, фуллерены, графеновые листы) представляют большой практический интерес для микроэлектроники, оптики, микробиологии, физики капиллярных явлений.

Синтез этих веществ с заранее заданными свойствами в промышленных масштабах становится важной технологической задачей, различным подходам к решению которой посвящены многочисленные экспериментальные и теоретические работы последних лет. Эти исследования продемонстрировали, прежде всего, сильную зависимость количественных и качественных свойств получаемого углеродного наноматериала от различных параметров синтеза. Одним из ключевых факторов является выбор металла, способного катализировать процесс образования углеродных наноструктур.

На сегодняшний день существует большое количество экспериментальных данных по влиянию выбора материала катализатора на процесс роста углеродных панотрубок или нановолокон, однако комплексного понимания процессов, определяющих ранние стадии зарождения углеродных наноструктур па подложке катализатора на атомном уровне (адсорбирование и диффузия атомов углерода, кластеризация адатомов, образование первичных зародышей фазы графена и т.д.), до сих пор не выработано. В связи с этим представляются важными исследования особенностей межатомного взаимодействия в системе металл-углерод на поверхности и в кристаллическом объеме. Целью данной работы является изучение этого взаимодействия на атомном уровне с помощью расчетов из первых принципов в рамках теории функционала электронной плотности.

ГЛАВА 1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР

Заключение диссертации по теме «Физика конденсированного состояния», Мутигуллин, Илья Васылович

выводы

Проведенное исследование взаимодействия углерода с железом, никелем и их соединениями в кристаллическом объеме и на поверхностях методом первопринципной молекулярной динамики позволяет сделать следующие выводы:

1. Установлено, что внедрение одиночных атомов углерода в кристаллическую структуру частиц катализатора (Fe, Ni, FeNi3, FeNi, Fe3Ni) приводит к сильным деформациям кристаллической решетки и подавлению локальных моментов окружающих их атомов кристаллической матрицы. Показано, что растворение одиночных атомов является энергетически невыгодным.

2. Обнаружена корреляция между энергией растворимости атомов углерода в кристаллическом объеме металла-катализатора и экспериментально полученным массовым выходом синтезированных углеродных нанотрубок. Показано, что чем ниже растворимость углерода в металле, тем более каталитически активным является этот металл.

3. Исследование свойств адсорбции атомов углерода на низкоиндексных поверхностях (001) и (111) монокристаллов металлов (Fe, Ni, FeNia) показало наличие значительной релаксации в результате сильной связи с поверхностью. Исследование взаимодействия друг с другом адсорбированных атомов углерода на поверхностях железа (001) и (111) показало, что энергетически выгодным является формирование некомпактных структур (кластеров) и монослоев. Предпочтительное формирование структуры с(2х2) на поверхности железа (001) находится в согласии с экспериментальными данными.

4. Показано, что по мере увеличения концентрации углерода на поверхностях (001) и (111) металлов (Fe, Ni, FeNi3) атомы углерода в результате группового взаимодействия могут перемешиваться с атомами подповерхностного слоя металла, образуя твердый раствор внедрения.

5. Обнаружено изменение кинетических свойств адсорбированного углерода в зависимости от его концентрации на поверхности металла (железа). Коллективное взаимодействие адсорбированных атомов углерода приводит к значительному понижению энергетического барьера для процесса диффузии адатома с поверхности в подповерхностный слой по сравнению с аналогичной величиной для одиночного атома углерода.

6. Полученные результаты, объясняющие возможность образования твердого раствора внедрения углерода в поверхностном слое металлической частицы, находятся в согласии с механизмом карбидного цикла для роста углеродных нанотрубок.

7. Показано, что поверхности (001) и (111) железа могут являться каталитически активными, а формирование стабильных углеродных наноструктур более вероятно на поверхности (111).

В заключение, я хочу выразить глубокую благодарность тем людям, без которых эта работа вряд ли бы состоялась. Прежде всего, я чрезвычайно благодарен моим научным руководителям и учителям проф. А.С. Илюшину и к.ф.-м.н. Д.И. Бажанову. Также хочу выразить горячую благодарность сотрудницам нашей лаборатории к.ф.-м.н. В.М. Авдюхиной и к.ф.-м.н. Г.П. Ревкевич за многочисленные плодотворные обсуждения моей работы. Я признателен всем сотрудникам кафедры физики твердого тела физического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова. И, конечно, огромное спасибо моей маме за ее поддержку и терпение.

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Мутигуллин, Илья Васылович, 2010 год

1. Нанотехнология в ближайшем десятилетии. Прогноз направления исследований. Под редакцией М.Р. Роко, Р.С. Уильямса, П. Аливисатоса. М.: Мир, 2002

2. Н. W. Kroto, J. R. Heath, S. С. O'Brien, R. F. Curl and R. E. Smalley "C60: Buckminsterfullerene", Nature 318, 162 (1985).

3. И.В. Золотухин, Ю.Е. Калинин, O.B. Стогней. Новые направления физического материаловедения: Учебное пособие. Воронеж: Издательство Воронежского государственного университета, 2000

4. В.Ф. Мастеров, «Физические свойства фуллеренов», Соросовский образовательный журнал 1, 92 (1997).

5. S. Iijima, P.M. Ajayan, Т. Ichihashi, "Growth model for carbon nanotubes", Phys. Rev. Let. 69,3100(1992).

6. S. Iijima, "Helical microtubules of graphitic carbon". Nature 354, 54 (1991).

7. S.-H. Ke, H.U. Baranger, W. Yang, "Contact Transparency of Nanotube-Molecule-Nanotube Junctions". Phys. Rev. Let., 99, 146802 (2007).

8. R. Martel, T. Schmidt, H.R. Shea, T. Hertel and P. Avouris „Single- and multi- wall carbon nanotube field effect transistors", Appl. Phys. Lett. 73, 2447 (1998).

9. И.В. Золотухин «Углеродные нанотрубки», Соросовский образовательный журнал, 3, 111 (1999).

10. Запороцкова И.В., Лебедев Н.Г., Черпозатонский Л.А, «Электронное строение углеродных нанотрубок, модифицированных атомами щелочных металлов». Физика твердого тела, том 46, выпуск 6, 1137 (2004).

11. Гейлер В.А., Костров В.Г., Маргулис В.А., «Плотность состояний для углеродных нанотрубок в однородном магнитном поле». Физика твердого тела, том 44, выпуск 3, 449 (2002).

12. Гусев А.И. Наноматериалы, наноструктуры, нанотехнологии. М.: ФИЗМАТЛИТ, 2005.

13. Rakov E.G. "Metods for preparation of carbon nanotubes". Russian Chemacal Reviews 69, 52 (2002).

14. Kratshmer W. "Solid C60: a new form of carbon". Nature,347, 354 (1990).

15. Ильина Ю.В., «Эффективность Fe-Ni катализатора для оптимального выхода углеродных одностенных нанотрубок». Дипломная работа, МГУ, Москва, 2004.

16. J. Gavillet, A. Loiseau, С. Journet, F. Willaime, F. Ducastelle, and J.-С. Charlier, "Root-Growth Mechanism for Single-Wall Carbon Nanotubes". Phys. Rev. Let. 87, 275504 (2001).

17. Z.P. Huang, D.Z. Wang, J.G. Wen, M. Sennet, H. Gibson, Z.F. Ren, "Root-Growth Mechanism for Single-Wall Carbon Nanotubes". Appl. Phys. A 74, 387 (2002).

18. L. Dong, J. Jiao, C. Pan, D.W. Tuggle, "Effects of catalysts on the internal structures of carbon nanotubes and corresponding electron field-emission properties". Appl. Phys. A 78, 9 (2004).

19. K. Hernadi, "Catalytic synthesis of multiwall carbon nanotubes from methylacetylene". Chemical Physics Letters 363, 169 (2002).

20. M. Yudasaka, Y. Kasuya, F. Kokai, K. Takahashi, M. Takizawa, S. Bandow, S. lijima, "Causes of different catalytic activities of metals in formation of single-wall carbon nanotubes". Appl. Phys. A 74, 377(2002).

21. A.A. Новакова, Т.Ю. Киселева, Б.П. Тарасов, В.Е. Мурадян, "Исследование микроструктуры углеродного наноматериала, полученного на железо-никелевом катализаторе". Поверхность. Рентген, синхротр. нейтр. исслед., 3. 70 (2004).

22. S.B. Sinnott, R. Andrews, D. Qian, A.M. Rao, Z. Mao, E.C. Dickey, F. Derbyshire, "Model of carbon nanotube growth through chemical vapor deposition". Chem. Phys. Lett. 315, 25 (1999).

23. R.E. Morjan, V. Maltsev, O. Nerushev, Y. Yao, L.K.L. Falk, E.E.B. Campbell, "High growth rates and wall decoration of carbon nanotubes grown by plasma-enhanced chemical vapour deposition". Chem. Phys. Lett. 383, 385 (2004).

24. F. Abild-Pedersen, J.K. Norskov, J.R. Rostrup-Nielsen, J. Sehested, S. Helveg, "Mechanisms for catalytic carbon nanofiber growth studied by ab initio density functional theory calculations", Phys. Rev. В 73, 115419 (2006)

25. H.S. Bengaard, J.K. Norskov, B. S. Clausen, L. P. Nielsen, A. M. Molenbroek, J. R. Rostrup-Nielsen, "Steam Reforming and Graphite Formation on Ni Catalysts". J. of Cat. 209, 365 (2002).

26. H. Ago, J. Qi, K. Tsukagoshi et al. "Catalytic growth of carbon nanotubes and their patterning based on ink-jet and lithographic technics", Journal of Electroanalytical Chemistry, 559, 25 (2003).

27. B.B. Чесноков, P.A. Буянов, "Образование углеродных нитей при каталитическом разложении углеводородов на металлах подгруппы железа и их сплавах". Успехи химии 69, 675 (2000).

28. A. Gorbunov, О. Jost, W. Pompe, A. Graff, "Solid-liquid-solid growth mechanism of single-wall carbon nanotubes", Carbon 40, 113 (2002).

29. Oberlin.A., Endo М., Koyama Т., "High resolution electron microscope observations of graphitized carbon fibers". Carbon 14, 133 (1976).

30. Gamaly E.G. "Carbon nanotubes: preparation and properties". Ed. Ebbesen T.W. Boca Raton, 180 (Florida: CRC Press, 1997)

31. C. Domain, C.S. Becquart, J. Foct, "Ab initio study of foreign interstitial atom (C, N) interactions with intrinsic point defects in a-Fe". Phys. Rev. В 69, 144112 (2004).

32. D.E. Jiang, E.A. Carter, «Carbon dissolution and diffusion in ferrite and austenite from first principles». Phys. Rev. В 67, 214103 (2003).

33. D.J. Siegel, J.C. Hamilton, «First-principles study of the solubility, diffusion, and clustering of С in Ni». Phys. Rev. В 68, 094105 (2003).

34. V. Blum, A. Schmidt, W. Meier, L.Hammer, K. Heinz, "Competitive surface segregation of C, Al and S impurities in Fe(001)", J. Phys.: Condens. Matter 15, 3517 (2003).

35. D.E. Jiang, E.A. Carter, «Carbon atom adsorption on and diffusion into Fe(110) and Fe(100) from first principles». Phys. Rev. В 71, 045402 (2005).

36. Q.-M. Zhang, Jack C. Wells, X. G. Gong Z. Zhang, "Adsorption of a carbon atom on the №38 magic cluster and three low-index nickel surfaces: A comparative first-principles study". Phys. Rev. B. 69, 205413 (2004).

37. D.C. Sorescu, «First-principles calculations of the adsorption and hydrogenation reactions of CHx(x=0,4) species on a Fe(100) surface». Phys. Rev. В 73, 155420 (2006).

38. С. Uebing, "Equilibrium surface segregation of interstitials on bcc(001) surfaces: A lattice-gas approach". Phys. Rev. В 50, 12138 (1994).

39. G. Panaccione, J. Fujii, I. Vobornik, G. Trimarchi, N. Binggeli, A. Goldoni, R. Larciprete, G. Rossi, "Local and long-range order of carbon impurities on Fe(001): Analysis of self-organization at a nanometer scale", Phys. Rev. В 73, 035431 (2006).

40. J.-Y. Raty, Francois Gygi, Giulia Galli, "Growth of Carbon Nanotubes on Metal Nanoparticles: A Microscopic Mechanism from Ab Initio Molecular Dynamics Simulations". Phys. Rev. Lett. 95, 096103 (2005).

41. S. Hofmann, G.Csasnyi, A.C.Ferrari, M.C.Payne, J. Robertson, "Surface Diffusion: The Low Activation Energy Path for Nanotube Growth". Phys. Rev. Lett. 95, 036101 (2005).

42. W.Kohn, "Electronic structure of matter (Nobel lecture)". Rev.Mod. Phys. 71, 1253 (1999).

43. E.Fermi, "Un metodo statistico par la determinzione di alcune Proprieta deH'atome". Cl.Sci.Fis.Mat.Nat.Rend. 6, 602 (1927).

44. P.Hohenberg, W.Kohn. "Inhomogeneous electron gas". Phys. Rev. 136, B864 (1964).

45. Марч H., Кон В., Вашишта П., Лундквист С., Уильяме А., Барт У., Лэнг Н. Теория неоднородного электронного газа. (М.: Мир, 1987).

46. W.Kohn, L.J.Sham, "Self-consistent equations including exchange and correlation effects". Phys. Rev. 140, A1133 (1965).

47. J.Perdew, K.Burke, Y. Wang, "Generalized gradient approximaton for the exchange-correlation hole of a many-electron system". Phys. Rev. В 54, 16533 (1996).

48. J.P.Perdew, J.A.Chevary, S.H.Vosko, K.A.Jackson, M.R.Pederson, D.J. Singh, C.Fiolhais, "Atoms, molecules, solids, and surfaces: Applications of the generalized gradient approximation for exchange and correlation". Phys. Rev. В 46, 6671 (1992).

49. R.O.Jones, O.Gunnarson, "Density-functional formalism: Sources of error in local-density approximations". Phys. Rev.Lett, 55, 107 (1985).

50. J. Hafner, G.Kresse, A.Eichler, R. Lorentz, R.Hirschl, M.Marsman. "Vasp workshop".

51. URL: http://cms.mpi.univie.ac.at/vasp-workshop/slides/documentation.htm

52. J.P.Perdew, "Accurate density functional for the energy: Real-space cutoff of the gradient expansion for the exchange hole". Phys. Rev. Lett., 55, 1665 (1985).

53. R.Car, M.Parrinello, "Unified approach for molecular dynamics and density-functional theory". Phys. Rev. Lett. 55, 2471 (1985).

54. A.A. Кацнельсон, B.C. Степанюк, О.Ф. Фарберович, A. Cac. "Электронная теория конденсированных сред". (М.: Изд-во МГУ, 1990).

55. О. Hamann, М. Schluter, С. Chiang, „Norm-Conserving Pseudopotentials". Phys. Rev. Lett., 43, 1494(1979).

56. D. Vanderbilt, "Soft self-consistent pseudopotentials in a generalized eigenvalue formalism". Phys. Rev. В 41, 7892 (1990).

57. P.Blochl, "Projector augmented-wave method". Phys. Rev. B, 50, 17953, (1994).

58. G.Kresse, J. Furthmuller, "Efficient iterative schemes for ab initio total-energy calculations using a plane-wave basis set". Phys. Rev. В 54, 11169 (1996).

59. R.P.Feynman, "Forces in molecyles". Phys. Rev. 56, 340 (1939).

60. H. Monkhorst, J. Pack, "Special points for Brillouin-zone integrations". Phys. Rev. В 13,5188 (1976).

61. R J Wakelin, E L Yates, "A Study of the Order-Disorder Transformation in Iron-Nickel Alloys in the Region FeNi3". Proc. Phys. Soc. В 66, 221 (1953).

62. A. Chamberod, J. Laugier, J. M. Penisson, "Electron irradiation effects on iron-nickel invar alloys", Journal of Magnetism and Magnetic Materials 10, 139 (1979).

63. M.-Z. Dang, D. G. Rancourt, "Simultaneous magnetic and chemical order-disorder phenomena in Fe3Ni, FeNi, and FeNi3". Phys. Rev. В 53, 2291 (1996).

64. W.B. Pearson, "A handbook of lattice spacings and structures of metals and alloys". (Pergamon Press, 1987)

65. E.G. Moroni, G. Kresse, J. Hafner, J. Furthmuller, "Ultrasoft pseudopotentials applied to magnetic Fe, Co, and Ni: From atoms to solids". Phys. Rev. В 56, 15629 (1997).

66. L. Larsen, H. Roy-Poulsen, N.O. Roy-Poulsen, L. Vistisen, "Order-Disorder Transitions in Iron-Nickel (50%-50%) Alloys from Iron Meteorites as Studied by Mossbauer Spectroscopy". Phys. Rev. Let. 48, 1054 (1982).

67. G. K. Williamson and R. E. Smallman "X-ray evidence for the interstitial position of carbon in a-iron", Acta Cryst. 6, 361 (1953).

68. H. Numakura, К. Kashiwazaki, М. Koiwa "Anisotropy of the Anelastie Relaxation Associated with Interstitial Carbon in Nickel", Journal de Physique IV 06, 127 (1996).

69. Donald J. Siegel, Mark van Schilfgaarde, J.C. Hamilton, „Understanding the Magnetocatalytic Effect: Magnetism as a Driving Force for Surface Segregation". Phys. Rev. Let. 92, 086101 (2004).

70. Michelle J.S. Spencer, Andrew Hung, Ian K. Snook, Irene Yarovsky, "Density functional theory study of the relaxation and energy of iron surfaces". Surface Science, 513, 389 (2002).

71. K.O. Legg, F. Jona, D.W. Jepsen, P.M. Marcus, „Low-energy electron diffraction analysis of clean Fe (001)". J. of Phys. С 10, 937 (1977).

72. J. Sokolov, F. Jona, P.M. Marcus, "Multilayer relaxation of a clean bcc Fe{ 111} surface". Phys. Rev. В 33, 1397 (1986).

73. F. Mittendorfer, A. Eichler, J. Hafner, „Structural, electronic and magnetic properties of nickel surfaces". Surface Science 423, 1 (1999).

74. J.W.M. Frenken, R.G. Smeenk, J.F. van der Veen, „Static and dynamic displacements of nickel atoms in clean and oxygen covered Ni(001) surfaces". Surf. Sci. 135, 147 (1983).

75. H.C. Lu, E.P. Gusev, E. Garfunkel, T. Gustafsson, „А MEIS study of thermal effects on the Ni(l 11) surface". Surf. Sci. 352-354, 21 (1996).

76. H. Amara, C. Bichara, F. Ducastelle, „Formation of carbon nanostructures on nickel surfaces: A tight-binding grand canonical Monte Carlo study". Phys. Rev. В 73, 113404 (2006).

77. Леванов H.A., Степанюк B.C., Хергерт В., Кацнельсон А.А., Мороз А.Э., Кокко К., "Структура и стабильность кластеров на поверхностях металлов". ФТТ 41, 1329 (1999).

78. F. Baletto, R. Ferrando, "Structural properties of nanoclusters: Energetic, thermodynamic, and kinetic effects". Rev. Mod. Phys. 77, 371 (2005).

79. S. Pick, P. Legare, C. Demangeat, "Density-functional study of the chemisorption of N on and below Fe(110) and Fe(001) surfaces". Phys. Rev. В 75, 195446 (2007).

80. A. Soon, L. Wong, B. Delley, C. Stampfl, "Morphology of copper nanoparticles in a nitrogen atmosphere: A first-principles investigation". Phys. Rev. В 77, 125423 (2008).

81. G. Mills, H. Jonsson, G. K. Schenter, "Reversible work transition state theory: application to dissociative adsorption of hydrogen". Surface Science 324, 305 (1995).

82. W. Arabczyk, U. Narkiewicz, «Segregation of carbon in iron and molybdenum». Surf. Sci 352-354, 223 (1996).