Журнал неорганической химии, 2020, T. 65, № 8, стр. 1073-1081
Магнитные свойства хиральных золотых нанотрубок
П. Н. Дьячков a, *, Е. П. Дьячков a
a Институт общей и неорганической химии им. Н.С. Курнакова РАН
119991 Москва, Ленинский пр-т, 31, Россия
* E-mail: p_dyachkov@rambler.ru
Поступила в редакцию 27.01.2020
После доработки 27.02.2020
Принята к публикации 29.02.2020
Аннотация
Рассчитаны магнитные поля, генерируемые наносоленоидами на основе золотых нанотрубок. Энергетические уровни электронов в нанотрубках рассчитаны с использованием метода линеаризованных присоединенных цилиндрических волн с циклическими граничными условиями Борна–фон Кармана и с учетом винтовой симметрии трубок. Определены числа проводящих каналов, низкотемпературные туннельные электронные токи и магнитные поля в наносоленоидах на основе золотых нанотрубок различной длины и структуры. Результаты свидетельствуют о том, что хиральные золотые нанотрубки являются перспективными материалами для создания наносоленоидов с сильными магнитными полями и могут быть использованы для более реалистичного дизайна нано-соленоидов.
ВВЕДЕНИЕ
Развитие нанотехнологий приводит к миниатюризации электронных устройств и их компонентов, что инициирует, в частности, интерес к конструированию наномасштабных электромагнитов и индукторов, в которых винтовые потоки электронов через нанопровод будут генерировать магнитное поле. Было высказано предположение о том, что в качестве наносоленоидов могут служить хиральные нанотрубки [1–8]. Наиболее известные идеальные углеродные (n1, n2) нанотрубки не подходят для этого, поскольку для создания соленоидов требуются материалы с металлическим типом проводимости, а углеродные нанотрубки являются либо диэлектриками, либо квазиметаллическими материалами в зависимости от строения (индексов n1 и n2) [9–11]. Более пригодны оказались химически модифицированные гетеронанотрубки, которые образованы связанными спиральными лентами из углерода и нитрида бора [1], а также некоторые углеродные нанотрубки, скрученные в виде спиралей с очень сложной (возможно нереалистичной) геометрией [6, 7]. Ожидается, что относительно мощные магнитные поля могут быть получены на композитах из углеродных нанотрубок и меди [8].
Предыдущие расчеты зонной структуры показывают, что все золотые нанотрубки, независимо от их геометрии, обладают металлической проводимостью с большими числами каналов проводимости, потому они могут быть пригодны для дизайна наносоленоидов [11–13]. Еще в 2003 г. хиральные золотые нанотрубки (5, 3) длиной 5 нм были успешно синтезированы с помощью электронно-лучевого истончения золотой фольги в электронном микроскопе [14]. За последние годы достигнут значительный прогресс в синтезе золотых нанотрубок и кластеров и существенно увеличилось количество информации об их свойствах. К настоящему моменту в литературе с разной степенью полноты описаны электронные, электрические, оптические, электрохимические, транспортные и каталитические свойства золотых нанотрубок [15–28]. В недавнем обзоре появилась информация об их использовании для решения проблем разделения энантиомеров, белков, для иммунохимического анализа, обнаружения ДНК и фототермической абляции клеток [18].
Цель данной работы – расчет магнитных полей, генерируемых хиральными золотыми нанотрубками при прохождении электрического тока. Мы предполагаем, что электрический ток в золотых хиральных нанотрубках течет только по направлению винтовых трансляций. Это предположение согласуется с предыдущими исследованиями индукции хирального тока, магнетодинамики, хиральной проводимости и самоиндукции в углеродных нанотрубках и винтовых молекулярных системах [29–34]. Заметим также, что для хиральных трубок Fe (5, 3) и (6, 3) в работе [35] приведен явный вид распределения электронной плотности (квадраты собственных волновых функций) для проводящих состояний на уровне Ферми, который четко иллюстрирует наличие винтовых каналов переноса хирального электронного тока в нанотрубках.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
Неограниченные по длине нанотрубки
В хиральной нанотрубке электронный транспорт вдоль ее оси сопровождается циклическим вращением электронов вокруг этой оси, что вызывает появление циклической компоненты тока и приводит к генерации магнитного поля (рис. 1). Согласно закону Ампера, для соленоида неограниченной длины магнитное поле B = μ0νj = 4π × 10–7νj внутри соленоида не зависит от его диаметра и расстояния от оси, а определяется только величиной тока j и числом ν оборотов тока вокруг оси соленоида в расчете на единицу длины. Снаружи поле нулевое. Величина ν определяется геометрией трубки.
Атомная геометрия одностенных золотых нанотрубок напоминает геометрию углеродных. Достаточно гексагональную сетку из атомов C заменить треугольной сеткой из атомов Au с длинами связей dAu–Au = 2.9 Å. Золотые трубки обладают симметрией относительно винтовых трансляций S(hz, ω), которые представляют собой сдвиги вдоль оси z трубки на расстояние hz с одновременным поворотом на угол ω, величины которых определяются индексами n1 и n2 [11]. Из-за винтовой симметрии хиральных трубок поворот на угол 2π сопровождается 2π/ω сдвигами на расстояние, равное hz(2π/ω). Поэтому число круговых токов на единицу длины в хиральной нанотрубке ν = = nω/(2πhz), где n отражает присутствие n эквивалентных цепочек из атомов Au в трубках с вращательной осью порядка n (n равняется наибольшему общему делителю индексов n1 и n2). Параметры структуры, включая значения ν и n для золотых трубок различной хиральности и диаметра, приведены в табл. 1.
Таблица 1.
n1, n2 | n | hz, Å | ω, рад | ν, 1/Å | NF | B/U, Tл/B |
---|---|---|---|---|---|---|
(5, 1) | 1 | 0.548 | 5.168 | 1.820 | 6 | 10.9 |
(5, 2) | 1 | 0.950 | 0.281 | 1.050 | 7 | 7.35 |
(5, 3) | 1 | 0.578 | 3.910 | 1.730 | 8 | 13.8 |
(5, 4) | 1 | 1.450 | 1.390 | 0.688 | 9 | 6.19 |
(10, 1) | 1 | 0.263 | 5.688 | 3.800 | 11 | 41.8 |
(10, 2) | 2 | 1.100 | 2.584 | 0.912 | 12 | 21.8 |
(10, 3) | 1 | 0.696 | 1.921 | 1.440 | 13 | 18.7 |
(10, 4) | 2 | 1.900 | 1.329 | 0.524 | 14 | 14.7 |
(10, 5) | 5 | 7.380 | 0.808 | 0.135 | 15 | 10.1 |
(10, 6) | 2 | 1.150 | 1.955 | 0.876 | 16 | 27.7 |
(10, 7) | 1 | 0.240 | 4.433 | 4.150 | 17 | 70.6 |
(10, 8) | 2 | 2.900 | 0.695 | 0.344 | 18 | 12.4 |
(10, 9) | 1 | 1.450 | 0.661 | 0.689 | 19 | 13.1 |
(12, 2) | 2 | 0.900 | 2.667 | 1.110 | 14 | 30.8 |
(11, 3) | 1 | 0.307 | 4.028 | 3.260 | 14 | 45.6 |
(8, 7) | 1 | 1.450 | 0.837 | 0.690 | 15 | 10.4 |
(13, 8) | 1 | 0.220 | 3.887 | 4.520 | 21 | 96.2 |
(17, 10) | 1 | 0.359 | 1.860 | 2.790 | 27 | 75.3 |
(18, 11) | 1 | 0.137 | 4.549 | 7.310 | 29 | 212 |
При описании и оценке токов необходимо отметить, что в золотых нанотрубках наблюдается баллистический механизм электронного транспорта, когда электроны туннелируют между катодом и анодом сквозь наноматериал [36]. Этот механизм определяется типичными размерами трубок: длина свободного пробега электронов больше, чем длина самой нанотрубки. Баллистический перенос электронов описывается формализмом Ландауэра [27, 36, 37], и при низких температурах ток рассчитывается по уравнению j = G0NFU, где U ‒ приложенное напряжение, а NF ‒ число каналов проводимости, которое определяется электронной структурой материала, а именно: NF равняется числу точек пересечения электронных зон с уровнем Ферми. Константа G0 = 2e2/h = 7.748 × 10–5 Ом–1, где e ‒ заряд электрона и h ‒ постоянная Планка, называется квантом проводимости; она равна току при U = 1 В в материале с одним проводящим состоянием на уровне Ферми. Расчеты электронной структуры золотых нанотрубок неограниченной длины, выполненные ранее методом линеаризованных присоединенных цилиндрических волн [11‒13, 38‒40] с учетом циклических граничных условий Борна–фон Кармана и винтовой геометрии трубок, показывают, что для NF приближенно справедливо соотношение NF ≈ n1 + n2. Зонные структуры нанотрубок (5, 3), (10, 1) и (10, 7) служат иллюстрацией этого правила (рис. 2‒4).
Суммируя результаты и подставляя в формулу для расчета индукции магнитного поля число витков тока в расчете на 1 Å как ν, получаем окончательно B(Tл) = n0.974ν(Å–1)NFU(В) ≈ ≈ nν(Å–1)NFU(В) ≈ nν(Å–1)(n1 + n2)U(В). Численные значения поля внутри неограниченных золотых нанотрубок приведены в последнем столбце табл. 1. Можно видеть, что значения B в золотых трубках ряда (5, n2) лежат в интервале 6.1‒13.8 Тл/B, они возрастают за счет увеличения числа каналов проводимости и числа витков тока до 13.1‒70.6 Тл/B при переходе к нанотрубкам ряда (10, n2) большего радиуса. Дальнейшее возрастание индексов n1 и n2 приводит к еще большему росту магнитного поля внутри золотых трубок вплоть до 212 Тл/В (рис. 5). Значения магнитных полей в рассчитанных здесь золотых нанотрубках на 1‒2 порядка больше, чем теоретические величины полей в изученных ранее наносоленоидах, где величины B около 1 Тл/B [1‒8].
Нанотрубки конечной длины
Обсудим магнитные поля для более реалистичного случая нанотрубок конечной длины. Магнитное поле конечных соленоидов заметно сложнее. Оно описывается в терминах цилиндрических координат z, r, θ. В силу цилиндрической геометрии нанотрубок, поле по-прежнему не зависит от θ, а радиальная и осевая компоненты поля описываются формулами [41, 42]:
Величины токов в трубках как бесконечной, так и конечной длины определяются туннелированием электронов сквозь нанотрубку. Но при переходе от одних к другим непрерывные дисперсионные электронные кривые сменяются дискретным электронным спектром, и числа каналов проводимости NF резко убывают, как видно на примере пятнадцати трубок (5, 3), (7, 6) и (10, 7) длиной 12‒600 Å (рис. 2‒4). В трубках (5, 3) с длиной L = 12 и 24 Å существует один такой уровень (NF = 1). В трубках (5, 3) с L = 60 и 120 Å соответственно NF = 2 и 3, что во всех случаях значительно меньше, чем NF = 8 для бесконечной (5, 3) золотой нанотрубки (табл. 2). Пропорционально уменьшению значений NF в 8, 4 и 2.7 раза должен уменьшаться ток при переходе к коротким (5, 3) нанотрубкам. В (5, 3) золотых нанотрубках длиной 600 Å значение NF = 7 приближается к значению NF = 8 для бесконечной трубки. Качественно такие же зависимости числа каналов проводимости от длины наблюдаются и для нанотрубок (10, 1) и (10, 7).
Таблица 2.
n1, n2 | Длина, Å | |||||
---|---|---|---|---|---|---|
12 | 24 | 60 | 120 | 600 | ∞ | |
(5, 3) | 1 | 1 | 2 | 3 | 7 | 8 |
(10, 1) | 1 | 1 | 1 | 2 | 2 | 11 |
(10, 7) | 1 | 1 | 2 | 2 | 6 | 17 |
На рис. 6 показаны зависимости магнитного поля от координат z и ρ для нанотрубок (5, 3), (10, 1) и (10, 7) длиной 12‒600 Å. Например, в нанотрубке (5, 3) из-за увеличения числа каналов проводимости с увеличением длины трубки внутреннее магнитное поле постепенно возрастает от 1.6 Тл/В в трубках длиной 12 и 24 Å до 3, 5 и 12 Тл/В в трубках с L = 60, 120 и 600 Å, медленно приближаясь к магнитному полю 13.8 Tл/В бесконечной (5, 3) трубки. В свободном пространстве внутри конечных канальцев магнитное поле зависит от расстояния r от оси трубки и от координаты z. На расстоянии около 5 Å от конца трубок (около z = L/2 – 5 Å) это поле начинает быстро падать, уменьшаясь вдвое при z = L/2 и практически обнуляясь вблизи z = L/2 + 5 Å. Поле снаружи трубок слабое, но не нулевое, как в случае бесконечной трубки. Оно минимально при z = 0 и достигает максимума на краю при z = L/2, где оно в 3‒4 раза меньше внутреннего поля. Характер вариаций магнитного поля в зависимости от координат z и r в конечных нанотрубках (10, 1) и (10, 7) большего диаметра аналогичен. Здесь поле также быстро убывает с укорочением нанотрубок, причем в самых коротких трубках с L = 12 и 24 Å и только единственным каналом проводимости максимальные значения поля B ≈ 1.5 Тл/В в центре трубок почти одинаковы независимо от геометрии трубок.
Самоиндукция
Помимо магнитного поля конечные соленоиды характеризуются самоиндукцией ℒ, которая рассчитывается по формуле: ℒ = μ0ν2SL. Самоиндукция зависит только от длины L и площади поперечного сечения S = πa2 соленоидов, но не от тока или рабочего напряжения. Она пропорциональна длине нанотрубки и ℒ(Гн) = 1.1 × 10–13L, 1.4 × × 10–12L и 3.1 × 10–13L(Å) для нанотрубок (5, 3), (10, 1) и (10, 7) соответственно.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Рассчитаны магнитные поля в хиральных золотых нанотрубках. Установлены зависимости между геометрией и длиной трубок, уровнями энергии электронов, баллистическим электронным транспортом и магнитными полями, генерируемыми в них при прохождении постоянного электрического тока. Хиральные золотые нанотрубки являются перспективными материалами для создания наносоленоидов с сильными магнитными полями.
Список литературы
Zhang Z.Y., Miao C., Guo W. // Nanoscale. 2013. V. 23. P. 11902. https://doi.org/10.1039/c3nr02914
Xu F., Sadrzadeh A., Xu Z., Yakobson B.I. // Comput. Mater. Sci. 2014. V. 83. P. 426. https://doi.org/10.1016/j.commatsci.2013.11.043
Xu F., Yu H., Sadrzadeh A., Yakobson B.I. // Nano Lett. 2016. V. 16. P. 34. https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.6b01822
Mitran T.L., Nemnes G.A. // RSC Adv. 2017. V. 7. P. 49е041. https://doi.org/10.1039/c7ra08247a
Avdoshenko S.M., Koskinen P., Sevinçli H. et al. // Sci. Rep. 2013. V. 3. P. 1632. https://doi.org/10.1038/srep01632
Popović Z.P., Vuković T., Nikolić B. et al. // Contemp. Mater. 2017. V. 8. № 2. P. 122. https://doi.org/10.7251/COMEN1702121P
Браже Р.A., Савин A.Ф. // Физика волновых процессов и радиотехнические системы. 2015. Т. 18. № 1. C. 50. https://journals.ssau.ru/index.php/pwp/article/viewFile/7211/7072
James C.R., Long J.E., Manning D.E. // Sci. Rep. 2019. V. 9. P. 143. https://doi.org/10.1038/s41598-018-38306-8
Ouyang M., Huang J.-L., Cheung C.L. et al. // Science. 2001. V. 292. P. 702. https://doi.org/10.1126/science.1058853
D’yachkov P.N. // Russ. J. Inorg. Chem. 2018. V. 63. № 1. P. 55. [Дьячков П.Н. // Журн. неорган. химии. 2018. Т. 63. № 1. С. 60.]https://doi.org/10.1134/S0036023618010072
Khoroshavin L.O., Krasnov D.O., D’yachkov P.N., Kol’tsova E.M. // Russ. J. Inorg. Chem. 2017. V. 62. № 6. P. 783. [Хорошавин Л.O., Краснов Д.O., Дьячков П.Н., Кольцова Э.M. // Журн. неорган. химии. 2017. Т. 62. № 6. С. 800.]https://doi.org/10.1134/S0036023617060110
D’yachkov E.P., D’yachkov P.N. // J. Phys. Chem. C. 2019. V. 123. P. 26005. https://doi.org/10.1021/acs.jpcc.9b07610
Krasnov D.O., Khoroshavin L.O., D’yachkov P.N. // Russ. J. Inorg. Chem. 2019. V. 64. № 1. P. 108. https://doi.org/10.1134/S0036023619010145
Oshima Y., Onga A., Takayanagi K. // Phys. Rev. Lett. 2003. V. 91. P. 205503. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.91.205503
Bridges C.R., DiCarmine P.M., Fokina A. et al. // J. Mater. Chem. A. 2013. V. 1. P. 1127. https://doi.org/10.1039/C2TA00729K
Bridges C.R., DiCarmine P.M., Seferos D.S. // Chem. Mater. 2012. V. 24. P. 963. https://doi.org/10.1021/cm203184d
Hendren W.R., Murph A., Evans P. et al. // J. Phys.: Condens. Matter. 2008. V. 20. P. 362203. https://doi.org/10.1088/0953-8984/20/36/362203
Shamraiz U., Raza B., Hussain H. et al. // Intern. Mater. Rev. 2018. P. 1743. https://doi.org/10.1080/09506608.2018.1554991
Ye S., Marston G., McLaughlan J.R. et al. // Adv. Funct. Mater. 2015. P. 1. https://doi.org/10.1002/adfm.201404358
Ye S., Marston G., Markham A.F. et al. // IOP Conf. Series: J. Phys.: Conf. Series. 2019. V. 1151. P. 012018. https://doi.org/10.1088/1742-6596/1151/1/012018
Kondo Y., Takayanagi K. // Science. 2000. V. 289. P. 606. https://doi.org/10.1126/science.289.5479.606
Kohl J., Fireman M., O’Carroll D.M. // Phys. Rev. B. 2011. V. 84. P. 235118. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.84.235118
Wang J., Zhang C., Zhang J. et al. // Adv. Optical Mater. 2016. V. 5. № 4. P. 1. https://doi.org/10.1002/adom.201600731
Zhu L., Wang J., Ding F. // J. Chem. Phys. 2009. V. 130. P. 064706. https://doi.org/10.1063/1.3055520
Sen A., Lin C.J., Kaun C.C. // J. Phys. Chem. C. 2013. V. 117. P. 13676. https://doi.org/10.1021/jp402531p
Zhang K., Zhang H. // J. Phys. Chem. C. 2014. V. 118. P. 635. https://doi.org/10.1021/jp410056u
Mironov G.I. // Russ. J. Inorg. Chem. 2019. V. 64. № 10. P. 1257. [Миронов Г.И. // Журн. неорган. химии. 2019. Т. 64. № 10. С. 1064.]https://doi.org/10.1134/S0036023619100097
Mironov G.I. // Russ. J. Inorg. Chem. 2018. V. 63. № 1. P. 66. [Миронов Г.И. // Журн. неорган. химии. 2018. Т. 63. № 1. С. 72.]https://doi.org/10.1134/S0036023618010114
Miyamoto Y., Louie S.G., Cohen M.L. // Phys. Rev. Lett. 1996. V. 76. P. 2121. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.76.2121
Miyamoto Y., Rubio A., Louie S.G., Cohen M.L. // Phys. Rev. B. 1999. V. 60. № 19. P. 13885. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.60.13885
Miyamoto Y. // Phys Rev. B. 1996. V. 54. P. R11149
Krstic V., Wagniere G., Rikken G.L. // Chem. Phys. Lett. 2004. V. 390. P. 25. https://doi.org/10.1016/j.cplett.2004.03.133
Lambert C.J., Bailey S.W.D., Cserti J. // Phys Rev. B. 2008. V. 78. P. 233405. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.78.233405
Gutierrez R., Díaz E., Naaman R., Cuniberti G. // Phys. Rev. B. 2012. V. 85. P. 081404(R). https://doi.org/10.1103/PhysRevB.85.081404
Shimada T., Okuno J., Kitamura T. // Nano Lett. 2013. V. 13. № 6. P. 2792. https://doi.org/10.1021/nl401047z
Landauer R. // Phil. Mag. 1972. V. 21. P. 863. https://doi.org/10.1080/14786437008238472
Chen A.-B. // Handbook of Theoretical and Computational Nanotechno-logy / Eds. Rieth M., Schommers W. California: American Scientific Publishers, 2006. V. 1. P. 311.
D’yachkov P.N. // Quantum Chemistry of Nanotubes: Electronic Cylindrical Waves. London: CRC Press, 2019. 212 p.
D’yachkov P.N., Makaev D.V. // Phys. Rev. B. 2007. V. 76. P. 195411. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.76.195411
D’yachkov P.N., Makaev D.V. // Int. J. Quantum Chem. 2016. V. 116. P. 316. https://doi.org/10.1002/qua.25030
Callaghan E., Maslen S. // The Magnetic Field of a Finite Solenoid. Washington: National Aeronautics and Space Administration, 1960.
Caciagli A., Baars R.J., Philipse A.P. et al. // J. Magn. Magn. Mater. 2018. V. 456. P. 423. https://doi.org/10.1016/j.jmmm.2018.02.003
Дополнительные материалы отсутствуют.
Инструменты
Журнал неорганической химии