Имплантация водорода и других ионов в сверхструктуры углеродных нанотрубок (УНТ) :: НПК ВИЭРТ

Имплантация водорода и других ионов в сверхструктуры углеродных нанотрубок (УНТ)

Проведено моделирование методом молекулярной динамики процессов имплантации ионов низких энергий (и, в частности, ионов водорода) в сверхструктуры углеродных нанотрубок. Также разработана полуаналитическая стохастическая теория кинетики ориентированного взаимодействия ионов с нанотрубками, которая хорошо описывает результаты математического моделирования.

Впервые в методы моделирования взаимодействия ионов с углеродными нанотрубками методом ограниченной молекулярной динамики введены эффективные ион-атомные парные потенциалы. Они согласованы с универсальным потенциалом ZBL и специфическими для углеродных наноструктур потенциалами притягивания Терсофа (H-C) и Бреннера (C-C), учитывающими ион-атомное притяжение (Рисунок 1).


а)	б)

Рисунок 1 – Радиальные зависимости потенциалов ион-атомного взаимодействия для ионов водорода (а) и углерода (б). Сплошные кривые - универсальный потенциал ZBL.

Впервые в мире построены ориентационные зависимости профилей имплантации ионов водорода и собственных ионов углерода кэВ-ных энергий в сверхструктуры (жгуты) углеродных нанотрубок (УНТ) (рисунок 2).


а)	б)

Рисунок 2 – Профили внедрения ионов углерода (а) и водорода (б)

Показано, что формы и ориентационные зависимости профилей согласуются с динамикой ионов в потенциальных рельефах поперечного непрерывного потенциала и существенно различаются в зависимости от вида потенциала ион-атомного взаимодействия. Для потенциалов с сильной ион-атомной связью, характерных, прежде всего для водорода, притяжение ионов к стенкам углеродных нанотрубок кардинально влияет на пробег в режиме каналирования и форму профиля внедрения.

Установлена взаимосвязь профилей внедрения с динамикой и кинетикой каналирования ионов в УНТ.

Рассчитаны рельефы непрерывных линдхардовских потенциалов сверхструктур углеродных нанотрубок для ионов углерода и водорода. На рисунке 3 представлены рельефы для ионов водорода. Насыщенность серого цвета пропорциональна логарифму величины потенциала.


а)	б)	в)

Рисунок 3 – Рельефы непрерывного потенциала надструктуры УНТ для ионов водорода: а – универсальный ион-атомный потенциал отталкивания ZBL; б, в – Brenner (слабая и сильная связь)

С помощью моделирования впервые показано, что литературные данные, которые ограничивают поведение критических углов ψ_c(E) деканалирования ионов из нанотрубок энергетической зависимостью ∞E^-½, применимы лишь для высоких энергий ионов или для угла нижнего порога прокалывания ионом стенки УНТ.

Введены и подтверждены моделированием критические углы ψ_c(E) каналирования ионов низких энергий в нанотрубках.

Угловая ширина ориентационных зависимостей тормозной способности УНТ и профилей внедрения ионов согласуется с расчетами ψ_c(E) по этим формулам для всех потенциалов.

Многопиковые профили внедрения ионов в жгуты углеродных нанотрубок (рисунок 4) впервые описаны теоретически с использованием развитой феноменологической модели, которая позволяет определять по данным моделирования основные кинетические параметры ориентационного эффекта.


а)	б)

Рисунок 4 – Результаты теоретического описания рассчитанных методом молекулярной динамики профилей внедрения ионов углерода разных энергий в жгут УНТ в зависимости от энергии ионов (а) и от угла ориентации пучка к оси нанотрубок (б).