В начале 90-х годов был открыт новый класс поверхностных форм углерода — нанотрубки. Это полые протяженные цилиндры, поверхность которых, как и слой графита, образована сопряженными бензольными кольцами. Нанотрубки могут обладать высокой металлической прово- димостью или являться полупроводниками в зависимости от толщины и ориентации образующих поверхность бензольных колец относительно оси трубки. Необычные свойства нанотрубок связанны с наличием полого ка- нала, располагающегося вдоль оси трубки по всей ее длине, благодаря которому возможно внедрение внутрь нанотрубок переходных, благород- ных металлов, редкоземельных элементов, а также интеркалирование на- нотрубок сложными веществами, например бинарными, такими как карби- ды и оксиды переходных металлов. Ранее электронная структура чисто углеродных нанотрубок первоначально была изучена в рамках метода МО ЛКАО в π‑электронном приближении и приближении функционала локаль- ной плотности. Однако метод ЛКАО не пригоден для расчетов электронной структуры нанотрубок, интеркалированных атомами тяжелых элементов, например, переходными металлами. Для решения этой проблемы нами предложен и реализован метод линейных присоединенных цилиндриче- ских волн (ЛПЦВ). Метод ЛПЦВ представляет собой распространение на системы с цилиндрической геометрией метода линейных присоединенных плоских волн (ЛППВ) − одного из наиболее точных в теории электронной структуры объемных твердых тел и применимого, в частности, к соединени- ям переходных металлов. Рассмотрение проведено в рамках приближения функционала локальной плотности для электронного потенциала. Найде- ны аналитические выражения для матричных элементов гамильтониана и интегралов перекрывания. С помощью метода ЛПЦВ рассчитана зонная структура карбина, одноатомных металлических цепочек без альтерниро- вания длин связей [M]∞ и с альтернированием длин связей [M2]∞, образо- ванных 3d-переходными и щелочными металлами М, а также чистых угле- родных и боразотных нанотрубок, нанотрубок состава AlN, GaAs, BC2N, интеркалированных металлами боразотных и углеродных нанопроводов состава [M@C20]∞. Отмечено, что внедрение атомов переходных металлов в полость нанотрубок меняет характер проводимости нанопроводов, что может быть использовано для создания гетеропереходов нанометровых размеров. В согласии с имеющимися экспериментальными и теоретиче- скими данными метод ЛПЦВ позволяет рассчитать электронную структуру сравнительно простых систем типа углеродных и боразотных нанотрубок и дает возможность предсказывать зонную структуру металлических цепо- чек и интеркалированных переходными металлами нанотрубок. Работа поддержана РФФИ (грант № 04-03-32251).
|