FULLERÉNEK ÉS SZÉN NANOCSÖVEK

48
FULLERÉNEK ÉS SZÉN NANOCSÖVEK előadás fizikus és vegyész hallgatóknak (2008 tavaszi félév – május 07.) Kürti Jenő ELTE Biológiai Fizika Tanszék e-mail: [email protected] www: virag.elte.hu/kurti

description

FULLERÉNEK ÉS SZÉN NANOCSÖVEK. előadás fizikus és vegyész hallgatóknak ( 2008 tavaszi félév – május 07.) Kürti Jenő ELTE Biológiai Fizika Tanszék e-mail: [email protected]: virag.elte.hu/kurti. G. Kresse et al. FIRST PRINCIPLES CALCULATIONS DFT: LDA - PowerPoint PPT Presentation

Transcript of FULLERÉNEK ÉS SZÉN NANOCSÖVEK

Page 1: FULLERÉNEK  ÉS  SZÉN  NANOCSÖVEK

FULLERÉNEK ÉS

SZÉN NANOCSÖVEK

előadás fizikus és vegyész hallgatóknak

(2008 tavaszi félév – május 07.)

Kürti Jenő

ELTE Biológiai Fizika Tanszék

e-mail: [email protected] www: virag.elte.hu/kurti

Page 2: FULLERÉNEK  ÉS  SZÉN  NANOCSÖVEK

FIRST PRINCIPLES CALCULATIONSFIRST PRINCIPLES CALCULATIONS

DFT: LDA

plane wave basis set, cutoff: 400 eV

G. Kresse et al

Wien

Budapest

Lancaster

Page 3: FULLERÉNEK  ÉS  SZÉN  NANOCSÖVEK

arrangement: tetragonal (hexagonal for test)

distance between tubes: l = 0.6 nm (1.3 nm for test)

hexa

tetra

Page 4: FULLERÉNEK  ÉS  SZÉN  NANOCSÖVEK

r1

r2r3

1

23

bond lengths

bond angles

(4,2)

d

c

56 atoms

building block

Page 5: FULLERÉNEK  ÉS  SZÉN  NANOCSÖVEK

tube axis

ideal hexagonal lattice

Page 6: FULLERÉNEK  ÉS  SZÉN  NANOCSÖVEK

tube axis

d increases

c decreases

Page 7: FULLERÉNEK  ÉS  SZÉN  NANOCSÖVEK

tube axis

extra bond misalignment

1

Page 8: FULLERÉNEK  ÉS  SZÉN  NANOCSÖVEK

GEOMETRY OPTIMIZATION

Page 9: FULLERÉNEK  ÉS  SZÉN  NANOCSÖVEK

diameter

Page 10: FULLERÉNEK  ÉS  SZÉN  NANOCSÖVEK

1/d vs 1/d0

DFT optimized diameter

1/d0 (nm-1)

1/d

(nm

-1)

.

ZZ

AC

CH

r0 = 0.1413 nm

Page 11: FULLERÉNEK  ÉS  SZÉN  NANOCSÖVEK

(d-d0)/d0 vs 1/d0

relative change

1/d0 (nm-1)

(d-d

0)/d

0 (

%)

.

ZZ

AC

CH

r0 = 0.1413 nm

(9,0) : 1.06 ± 0.01 %

Page 12: FULLERÉNEK  ÉS  SZÉN  NANOCSÖVEK

(d-d0)/d0 vs 1/d0

relative change

1/d0 (nm-1)

(d-d

0)/d

0 (

%)

.

ZZ

AC

CH

r0 = 0.1413 nm

(9,0) : 1.06 ± 0.01 %

Page 13: FULLERÉNEK  ÉS  SZÉN  NANOCSÖVEK

length of the unit cell

Page 14: FULLERÉNEK  ÉS  SZÉN  NANOCSÖVEK

unit cell lengths vs 1/d0

relative change

1/d0 (nm-1)

(c-c

0)/c

0 (

%)

.

ZZ

AC

CH

r0 = 0.1413 nm

ZZ triads

(9,0) : -0.05 ± 0.01 %

Page 15: FULLERÉNEK  ÉS  SZÉN  NANOCSÖVEK

bond lengths

Page 16: FULLERÉNEK  ÉS  SZÉN  NANOCSÖVEK

(r1-r0)/r0 vs 1/drelative change

1/d (nm-1)

(r1-

r 0)/r

0 (

%)

.

ZZ

AC

CH

r0 = 0.1413 nm

ZZ triads

(9,0) : -0.32 ± 0.004 %

Page 17: FULLERÉNEK  ÉS  SZÉN  NANOCSÖVEK

(r2-r0)/r0 vs 1/drelative change

1/d (nm-1)

(r2-

r 0)/r

0 (

%)

.

ZZ

AC

CH

r0 = 0.1413 nm

ZZ triads

Page 18: FULLERÉNEK  ÉS  SZÉN  NANOCSÖVEK

bond angles

Page 19: FULLERÉNEK  ÉS  SZÉN  NANOCSÖVEK

bond angle 1 vs 1/d0

DFT optimized

1/d0 (nm-1)

1 (

deg)

.

ZZ

AC

CH

r0 = 0.1413 nm

Page 20: FULLERÉNEK  ÉS  SZÉN  NANOCSÖVEK

pyramidalization or rehybridization

sp2 sp3

S.Niyogi et al., Acc. Chem. Res. 35, 1105 (2002)

Page 21: FULLERÉNEK  ÉS  SZÉN  NANOCSÖVEK

pyramidalization angle P vs 1/d0

DFT optimized

1/d0 (nm-1)

P (

deg)

.

ZZ

AC

CH

r0 = 0.1413 nm

C60: 11.6°

Page 22: FULLERÉNEK  ÉS  SZÉN  NANOCSÖVEK

BAND STRUCTURE

Page 23: FULLERÉNEK  ÉS  SZÉN  NANOCSÖVEK

tight binding(nearest neighbour)

Page 24: FULLERÉNEK  ÉS  SZÉN  NANOCSÖVEK

DFT (VASP)

Page 25: FULLERÉNEK  ÉS  SZÉN  NANOCSÖVEK

(6,5) - DFT

Page 26: FULLERÉNEK  ÉS  SZÉN  NANOCSÖVEK

(20,0)

zigzag

chiral

(19,0)(17,0)(16,0)

(14,0)(13,0)

(11,0)

(10,0)

(8,0)

(7,0)(5,0)(4,0)

(6,4)

(6,2)

(5,3)

(6,1)

(4,3)

(5,1)(4,2)

(3,2)

ZF-TB

DFT

1/d

1/d

Page 27: FULLERÉNEK  ÉS  SZÉN  NANOCSÖVEK

(5,0)

ZF-TB: Eg = 2.3 eV

DFT: Eg = 0 !

Page 28: FULLERÉNEK  ÉS  SZÉN  NANOCSÖVEK

(20,0)

zigzag

chiral

(19,0)(17,0)(16,0)

(14,0)(13,0)

(11,0)

(10,0)

(8,0)

(7,0)(5,0)(4,0)

(6,4)

(6,2)

(5,3)

(6,1)

(4,3)

(5,1)(4,2)

(3,2)

ZF-TB

DFT

1/d

1/d

Page 29: FULLERÉNEK  ÉS  SZÉN  NANOCSÖVEK

ZF-TB METALLIC

non-armchair: zigzag, chiral

kF

kF kF - kF (d)

= f(1/d2)

K tube axis

opening of a secondary gap

Page 30: FULLERÉNEK  ÉS  SZÉN  NANOCSÖVEK

secondary gap in (7,1)

0.14 eV

Page 31: FULLERÉNEK  ÉS  SZÉN  NANOCSÖVEK

ZF-TB METALLIC

armchair

kF kF - kF (d)

= f(1/d2)

K

kF

tube axis

NO secondary gap

Page 32: FULLERÉNEK  ÉS  SZÉN  NANOCSÖVEK

(6,6)

(4,4)

kF (d)=2/3

kF

kFF

F

Page 33: FULLERÉNEK  ÉS  SZÉN  NANOCSÖVEK

AC

(3,3)

(4,4)

(5,5)

(6,6)

(7,7)(8,8)

(9,9)(10,10)

(11,11)

Page 34: FULLERÉNEK  ÉS  SZÉN  NANOCSÖVEK

9 0 36 0 0.7010 0.7084 -0.043 330.3 317.8 318.2

8 2 56 10.9 0.7139 0.7209 -0.021 324.6 316.5 314.9

7 4 124 21.1 0.7512 0.7580 -0.051 308.7 307.1 303.7

10 0 40 0 0.7789 0.7852 0.008 298.0 294.5 290.7

6 6 24 30 0.8095 0.8158 -0.058 286.8 284.3 283.6

11 0 44 0 0.8568 0.8629 -0.051 271.2 268.2 264.6

12 0 48 0 0.9347 0.9401 -0.013 248.9 242.8 242.2

7 7 28 30 0.9444 0.9499 -0.053 246.3 246.2 243.4

13 0 52 0 1.0126 1.0172 0.006 230.0 228.9 225.5

8 8 32 30 1.0793 1.0843 -0.046 215.8 216.5 213.1

14 0 56 0 1.0905 1.0951 -0.026 213.7 212.4 209.7

15 0 60 0 1.1684 1.1725 -0.007 199.6 196.4 195.6

9 9 36 30 1.2142 1.2186 -0.037 192.0 192.7 189.4

16 0 64 0 1.2463 1.2501 0.002 187.2 186.4 183.7

17 0 68 0 1.3241 1.3281 -0.023 176.2 175.6 173.0

10 10 40 30 1.3491 1.3531 -0.031 172.9 173.6 170.7

18 0 72 0 1.4020 1.4054 -0.005 166.5 164.4 163.5

19 0 76 0 1.4799 1.4831 0.001 157.8 157.3 155.1

11 11 44 30 1.4840 1.4874 -0.024 157.3 158.0 155.2

20 0 80 0 1.5578 1.5613 -0.019 149.9 149.3 147.1

4 0 16 0 0.3116 0.3341 -1.293 700.4 651.3 642.3

3 2 76 23.4 0.3395 0.3531 0.277 662.7 651.1 648.6

4 1 28 10.9 0.3569 0.3732 -0.343 627.0 589.5 584.1

5 0 20 0 0.3895 0.4043 -0.274 578.8 544.9 536.1

3 3 12 30 0.4047 0.4176 -0.096 560.3 541.1 551.4

4 2 56 19.1 0.4122 0.4252 -0.196 550.4 539.5 536.3

5 1 124 8.9 0.4337 0.4462 -0.172 524.4 487.1 493.2

6 0 24 0 0.4673 0.4793 -0.188 488.2 463.6 458.5

4 3 148 25.3 0.4738 0.4833 0.101 484.1 479.4 476.0

5 2 52 16.1 0.4864 0.4970 -0.063 470.8 451.5 448.8

6 1 172 7.6 0.5108 0.5216 -0.192 448.6 437.8 432.8

4 4 16 30 0.5396 0.5489 -0.028 426.3 424.3 419.2

5 3 196 21.8 0.5452 0.5546 -0.084 421.9 417.4 413.5

7 0 28 0 0.5452 0.5546 -0.043 421.9 411.0 405.3

6 2 104 13.9 0.5617 0.5704 -0.008 410.3 404.5 400.2

7 1 76 6.6 0.5881 0.5971 -0.090 391.9 374.6 373.1

6 3 84 19.1 0.6182 0.6263 -0.038 373.6 364.5 363.1

8 0 32 0 0.6231 0.6319 -0.119 370.3 363.6 358.5

5 5 20 30 0.6746 0.6821 -0.058 343.1 337.3 338.9

6 4 152 23.4 0.6790 0.6864 -0.043 340.9 336.1 333.4

n m N Θ0 d0 dDFT c/c0 234/dDFT DFT *DFT n m N Θ0 d0 dDFT c/c0 234/dDFT DFT *

DFT

Page 35: FULLERÉNEK  ÉS  SZÉN  NANOCSÖVEK

REZGÉSI TULAJDONSÁGOK

Page 36: FULLERÉNEK  ÉS  SZÉN  NANOCSÖVEK

D band

Radial Breathing Mode

Page 37: FULLERÉNEK  ÉS  SZÉN  NANOCSÖVEK

(5,3)

quadratic fit force constant RBM-frequency

DFT

Page 38: FULLERÉNEK  ÉS  SZÉN  NANOCSÖVEK

RBM vs 1/d0

1/d0 (nm-1)

(c

m-1)

linear fit for large diameters

Alarge_d= 233.1

ZZ

AC

CH

Page 39: FULLERÉNEK  ÉS  SZÉN  NANOCSÖVEK

RBM vs 1/ddeviation from linear fit

1/d (nm-1)

(

cm-1)

ZZ

AC

CH

7,0

5,3

d=0.5546 nm

Page 40: FULLERÉNEK  ÉS  SZÉN  NANOCSÖVEK

ZZ

AC

CH

AZZ= 232

AAC= 236

Page 41: FULLERÉNEK  ÉS  SZÉN  NANOCSÖVEK

COUPLING of

TOTALLY SYMMETRIC MODES

(RBM + G (HFM))

radial tangential

1 for achiral

2 for chiral

Page 42: FULLERÉNEK  ÉS  SZÉN  NANOCSÖVEK

ZZ

AC

CH

Page 43: FULLERÉNEK  ÉS  SZÉN  NANOCSÖVEK

Raman

Stokes: 2 = 1 –

(Anti-Stokes: 2 = 1 +

1

1

2 = 1 –

ba

2 = 1 +

1

1

Page 44: FULLERÉNEK  ÉS  SZÉN  NANOCSÖVEK

hin hin hout houthout hin

(incoming) resonance RamanC. V. Raman

Page 45: FULLERÉNEK  ÉS  SZÉN  NANOCSÖVEK

(a) RBM spectra of HiPCO produced carbon nanotubes at different excitation energies.

The spectra are vertically offset for clarity. From top to bottom the laser energy increases between 1.51 and 1.75 eV. Each peak arises from a different (n,m) nanotube.

(b) Resonance profiles for the peaks marked in a by vertical lines. The dots are experimental data; the lines are fits.

Page 46: FULLERÉNEK  ÉS  SZÉN  NANOCSÖVEK

Two-dimensional plot of the radial-breathing-mode range vs. laser excitation energy. Note the various laola-like resonance enhancements, from which we can determine both the optical transition energies and the approximate diameter of the nanotubes. The spectra were each calibrated against the Raman spectrum of CCl4.

2D RBM

Page 47: FULLERÉNEK  ÉS  SZÉN  NANOCSÖVEK

Contour plot of 2D RBM

Page 48: FULLERÉNEK  ÉS  SZÉN  NANOCSÖVEK

Contour plot of 2D RBM

A. Jorio et al., (in press)