Книжник Андрей Александрович

1. Многоуровневое моделирование углеродных наноструктур и приборов на их основе Книжник Андрей Александрович

2.  ISAN Елецкий А.В. Лебедева И.В. Искандарова И.М. Попов А.М. Лозовик Ю.Е. Красиков Д.Н. Гавриков А.В. Потапкин Б.В.

3. Моделиро-вание роста С нано-структур Моделиро-вание преобразо-ваний С наноструктур Углеродные нано-структуры Моделиро-вание материалов из С нано-структур Моделиро-вание приборов на основе С наноструктур

4. Механизм роста УНТ Основные стадии • Газофазные превращения углеводородов • Адсорбция и диссоциация молекул углеводородов • Диффузия атомов углерода • Нуклеация • Стационарный рост • Дезактивация катализатора и прекращение роста M. Grujicic et. al. Appl. Surf. Sci. 199, 90 (2002) A. C. Lysaght et. al. Nanotechnology 20, 115605 (2009)

5. Кинетическая модель роста УНТ • Детальный кинетический механизм газофазных превращений углеводородов • Детальный кинетических механизм поверхностных реакций углеводородов • Кинетические параметры модели определены на основе первопринципных расчетов • Формализм поверхностных центров

6. CH4 (111) (113) Кинетика диссоциации углеводородов Путь реакции разложения метана на поверхностях Ni Подход • Первопринципные расчеты с базисом плоских волн с использованием VASP • Поверхности Ni(111) и Ni (113) • Метод упругой ленты (NEB) для расчета путей реакций T. P. Beebe et. al. J. Chem. Phys. 87, 2305 (1987); I. Chorkenforff et. al. Surf. Sci. 227, 291 (1990); F. Abild-Pedersen et. al. Surf. Sci. 590, 127 (2005) M. Moors et. al. ACS Nano 3, 511 (2009)

7. (111) C2H4 (113) (111) C2H2 (113) Кинетика диссоциации углеводородов Детальный кинетический механизм диссоциации, гидрирования и десорбции углеводородов R. T. Vang et. al. Surf. Sci. 600, 66 (2006); J. W. Medlinet. al. J. Phys. Chem. B 107, 217 (2003).

8. Кинетическая модель роста УНТ • Детальный кинетический механизм газофазных превращений углеводородов • Детальный кинетических механизм поверхностных реакций углеводородов • Кинетические параметры модели определены на основе первопринципных расчетов • Формализм поверхностных центров

9. Рост УНТ из чистых углеводородов • Ea~ 1.7-2.1 эВ • Слабая зависимость отP поверхностно-контролируемый режим C2H2 C2H4 CH4 T = 1000 K ____ (111) _ _ _ (113) • Слабая зависимостьотT адсорбционно-контролируемый режим

10. Газофазная диффузия Liu K et al Carbon 2005; 43:2850–6. C2H2+Ar, 330 sccm, P=1 atm, T=953 K эксп. расчеты поверхностно-контролируемый режим диффузионно-контролируемый режим • Слабая зависимость от T

11. Режимы роста УНТ C2H2 C2H4

12. Манипуляция структурой отдельных нанообъектов Вырезание цепочки углерода из графена C. Jinet.al. Phys. Rev. Lett. 102, 205501 (2009) Преобразование чешуйки графена в фуллерен • Chuvilin et. al. Nature Chemistry • 2, 450 (2010).

13. Преобразование углеродных наноструктур A. Chuvilin, U. Kaiser, E. Bichoutskaia, N.A. Besley, A,N. Khlobystov, Nature Chemistry, 2, 450 (2010). • Предложенный механизм • Большое количество дефектов образуются на краях листа, повышая энтропию системы. • На углах плотность дефектов особенно велика. • Сворачивание происходит, когда плотность дефектов на одном из углов достигает критического значения прямоугольный слой графена из 300 атомов Время сворачивания ~1 нспри 3500 K И. В. Лебедева, А. А. Книжник, Б. В. Потапкин, Химическая физика 26,94 (2007) I.V. Lebedeva, A.A. Knizhnik, B.V. Potapkin, A.A. Bagatur’yants, Physica E 40, 2589 (2008)

14. Преобразование углеродных наноструктур

15. Преобразование углеродных наноструктур Наличие катализатора снижает барьер для сворачивания графена Calculated average times of Ni-assisted folding of graphene flakes (in ns) as functions of the reciprocal of temperature (in K-1) for the free C96 flake (triangles), for the C96 flake with the Ni13 cluster (squares), for the free C384 flake (diamonds) and for the C384 flake with the Ni79 cluster (circles).

16. Относительное движение слоев углеродных наноструктур Cumingset. al. Science 289, 602 (2000) Kis et. al. Phys. Rev. Lett. 97, 025501 (2006) Zheng et. al. Phys. Rev. Lett. 100, 067205 (2008) Dienwiebelet. al. Phys. Rev. Lett. 92, 126101 (2004) Наномотор, основанный на относительном вращении слоев УНТ Fennimore et. al., Nature 424, 408 (2003) Bourlonet. al. Nano Lett. 4, 709 (2004) Barreiro et. al., Science 320, 775 (2008) Subramanian et. al. Nanotechnology 18, 075703 (2007) Deshpandeet. al. Nano Lett. 6, 1092 (2006)

17. Использование углеродных наноструктур в НЭМС ячейки памяти ДУНТ наноосциллятор нанореле нанопривод нанотермометр L. Maslov, Nanotechnology 17 2475 (2006) B. Bourlon et.al. Nano Lett.4, 709 (2004) A. Barreiro et.al. Science 320, 775 (2008) Popov AM et al. Phys. Status Solidi A 204 1911 (2007)

18. FvdW Особенности взаимодействия слоев УНТ Рельеф поверхности потенциальной энергии для относительного смещения слоев МУНТ Телескопическое смещение слоев МУНТ При телескопическом смещении возникает возвращающая сила Ван-дер-Ваальса Предложено использование МУНТ для НЭМС, таких как, наноподшипник, наномотор, нано-реле, наноосциллятор

19. Многомасштабный подход

20. Расчеты добротности осциллятора Добротность осциллятора E – энергия колебаний, ΔE – потери энергии колебаний за период • обратно пропорциональна температуре • не зависит от длины • не зависит от способа терминирования концов • несоизмеримых >> соизмеримых I.V. Lebedeva, A.A. Knizhnik, A.M. Popov, Yu.E. Lozovik and B.V. Potapkin, Nanotechnology 20, 105202 (2009). C.-C. Maet.al. Nanotechnology 16, 1253–1264 (2005); W. Guo et. al. Phys. Rev. Lett. 91, 125501 (2003);…

21. Влияние дефектов на добротность и флуктуации в осцилляторе дефекты Добротность существенно понижается и слабо зависит от температуры Неравновесный уровень флуктуаций дефект Стоуна-Велса вакансия

22. 110 нм 100 нм Управляемые колебания осциллятора E(r) 3 нм, (5,5)@(10,10) ДУНТ 60.5 V 61.4 V Даже при внешней силе, превышающей критическую, возможен срыв колебаний осциллятора.  Необходима модель, позволяющая предсказывать поведение осциллятора на больших временах. О. В. Ершоваи др., ФТТ, 49, 1914 (2007) О. В. Ершова и др. ЖЭТФ, 134, 762 (2008);

23. Область устойчивости осциллятора Уравнение Ланжевена для осциллятора Область устойчивости Область устойчивости Отклонение частоты начальный сдвиг фаз Начальный сдвиг фаз Перенапряжение Повышением амплитуды управляющей силы удается увеличить интервалы сдвига фаз и отклонения частоты, в которых происходит выход колебаний в стационарный режим O.V. Ershova, I.V. Lebedeva et. al.Phys. Rev. B 81, 155453 (2010).

24. Время существования стационарного режима Время стационарных колебаний Перенапряжение Среднее время стационарных колебаний ДУНТ, рассчитанные на основе численного решения уравнения Ланжевена Повышение амплитуды управляющей силы увеличивает среднее время стационарных колебаний ДУНТ, а рост шума в системе уменьшает это время.

25. Относительное движение слоев графена Рельеф поверхности потенциальной энергии для относительного смещения слоев графена Телескопическое смещение слоев FvdW (Å) мэВ/ атом Q. Zheng et. al.Phys. Rev. Lett., 2008, 100, 067205 Предложено использование многослойного графена для НЭМС, таких как наноосциллятор, нанорезонатор, нанореле, по аналогии с МУНТ

26. Взаимодействие слоев графена DFT-D расчеты рельефа потенциальной энергии взаимодействия слоев • ячейка 4.271 Å x 2.466 Å x 20 Å • VASP • функционал PBE-D • Максимальная кин. энергия плоских волн 400 эВ • Сетка k-точек 24x36x1 (V. Barone, et.al.J. Comp. Chem., 2008, 30, 934) эксп. данные для графита (мэВ/ атом) DFT-D потенциал Колмогорова-Креспи A. N. Kolmogorov and V. H. Crespi, Phys. Rev. B, 2005, 71, 235415 DFT-D потенциал Леннарда-Джонса (Å) I. V. Lebedeva, A. A. Knizhnik, A. M. Popov, Yu. E. Lozovik, B. V. Potapkin, Phys. Chem. Chem. Phys. 13, 5687 (2011).

27. НЭМС на основе графена Низкая добротность Q ~ 10 – 100 нанорезонатора на основе графена связана с • Возбуждением поперечных колебаний • Возбуждением изгибовых колебаний Добротность “гигагерцового осциллятора” на основе графена Q <1 Графен подходит для быстродействующих нанореле и ячеек памяти x

28. (Å) мэВ/ атом (Å) Зависимость энергии чешуйки графена от угла поворота несоизмеримое состояние соизмеримое состояние Dienwiebel et. al.Phys. Rev. Lett. 92, 126101 (2004) При повороте в несоизмеримое состояние препятствия на пути чешуйки исчезают и она может двигаться на большие расстояния

29. (нс) Моделирование диффузии чешуйки Диффузия чешуйки из 200 атомов при 300 K соизмеримое состояние, медленная диффузия несоизмеримое состояние, быстрая диффузия I.V. Lebedeva, A.A. Knizhniket. al.Phys. Rev. B 82, 155460 (2010).

30. Анализ механизмов диффузии барьер для перехода между соседними минимумами максимумы энергии энергия поворота в несоизмеримое состояние диффузия происходит за счет перескоков чешуйки между соседними минимумами энергии в соизмеримом состоянии см2/c диффузия происходит за счет поворота чешуйки в несоизмеримое состояние полный коэф. дифф. в соизм. сост. диффузионный коэффициент достигает предела, определяемого трением

31. Thermal conductivity of graphene Thermal conductivity of supported graphene The extremely high thermal conductivity in the range of 3080–5150 W/m K and phonon mean free path of 775 nm near room temperature. Exceeds graphite and CNT thermal conductivity (2000-3000 W/mK) Experiment: thermal conductivity depends on the number of graphene layers Theory: thermal conductivity of graphene increases with length S. Ghosh et al,APL92, 151911 (2008)

32. Thermal conductivity of graphene/graphite Non-equilibrium MD modeling High-performance molecular dynamics simulations should be used to model transport in real scale graphene flakes: Flake sizes: micron scale Number of atoms: > 100,000 efficient parallel MD algorithms are required for many-body interatomic potentials (Tersoff, Brenner) Domain decomposition method was adapted for NEMD calculations

33. Thermal conductivity of graphene/graphite Influence of defects on thermal conductivity of graphene Significant reduction of thermal conductivity at OH group density about 1% Significant reduction of thermal conductivity at vacancy density about 1%

34. Наноуглеродные материалы Нанокомпозиты с УНТ • Улучшенные механические свойства • Высокая электропроводность • Увеличенная теплопроводность Перколяционный порог

35. Расчет контактного сопротивления Device Hamiltonian Atomistic model Contact model Green function of the device Transmission coefficient Self-energy of the lead Small basis size is required to reduce Hamiltonian size and hence to accelerate first-principles calculation of electronic Transport Surface Green function of the lead

36. Нанокомпозиты с УНТ Контактное сопротивление • Рассчитанные значения 100кОм – 10 МОм • Зависит от структуры контакта • Может лимитировать проводимость нанокомпозита

37. Структура в зависимости от условий получения Моделиро-вание роста С нано-структур Моделиро-вание преобразо-ваний С наноструктур Углеродные нано-структуры Моделиро-вание материалов из С нано-структур Моделиро-вание приборов на основе С наноструктур Свойства в зависимости от структуры материала и прибора