Структура та оптичні властивості плівок фулеренів при легуванні і опроміненні

9. Проведено дослідження радіаційної модифікації кристалічної структури та оптичних властивостей твердих плівок С ₆₀, С ₆₀-С ₇₀, Cu-С ₆₀. При опроміненні високоенергетичними електронами (Е_е = 1,8 МеВ) з'являються радіаційні пошкодження оболонок молекул із зміщенням атомів вуглецю в положення інтеркаляції. Радіаційно-стимульоване легування атомами вуглецю при зростанні дози опромінення від 50 до 400 МРа приводить до появи структурного максимума (200), початкового збільшення параметра гратки з подальшим його зменшенням, а також до немонотонних змін електронних та коливальних спектрів фулеренів. Це вказує, що зміщені атоми вуглецю сприяють створенню кулонівської міжмолекулярної взаємодії за рахунок переносу зарядів, роль якої змінюється при збільшенні дози опромінення. Легування атомами міді покращує радіаційну стійкість фулеренів.

ОСНОВНІ РЕЗУЛЬТАТИ ДИСЕРТАЦІЇ ОПУБЛІКОВАНО В РОБОТАХ

1. Дмитренко О.П., Кулiш М.П., Танцюра Т.П., Хомiк А.А., Шулiка Ю.I., Танцюра Т.П. Малокутовi рентгенодифракцiйнi дослiдження активованих вуглецевих волокон // Фiзико-хiмiя конденсованих структурно-неоднорiдних систем, К.: ч.II. - 1998. - С. 133-135.

2. Кулиш Н.П., Танцюра Л.Я., Танцюра Т.П., Дмитренко О.П., Шлапацкая В.В. Радиационная модификация адсорбционных характеристик углеродных волокон // Вопросы атомной науки и техники. Серия "Физика радиационных повреждений и радиационное материаловедение" - 2001. - № 4 . - С. 100-103.

3. Дмитренко О.П., Романенко Ю.С., Танцюра Т.П. Мікропориста структура гідратцелюлозних плівок // Вісник Київського університету. Серія: фізико-математичні науки - 2001. - вып. 2. - С. 434-440.

4. Makarets M.V., Kulish M.P., Dmytrenko O.P., Prylutskyy Y.I., Ogloblya O.V., Scharff P., Braun T. Computer simulation of the irradiation effect on the modification of carbon nanostructures // Structural and Electronic Properties of Molecular Nanostructures - 2002. - P. 390-393.

5. Dmytrenko O.P., Bilyi M.M., Gubanov V.O., Kulish M.P., Rodionova T.I., Vertsimakha Ya.I., Matveeva L.A., Prylutskyy Yu.I., Scharff P., Braun T. Structural peculiarities and Raman vibrational modes in the C₆₀ films // Mol. Cryst. Liq. Cryst. - 2002. - Vol. 385. - P. [163]/43- [169]/49.

6. Дмитренко О.П., Куліш М.П., Поперечко Л.В., Юргелевич І.В. Оптичні властивості одношарових плівок фулеренів С ₆₀ з міддю // Вісник Київського університету. Серія: фізико-математичні науки - 2003. - вип. 1. - С. 344-349.

7. Dmytrenko O.P., Kulish M.P., Shpilevskiy E.M., Poperenko L.V., Yurgelevych I.V., Schulze S., Hietschold M., Prylutskyy Yu.I., Matveeva L.A. The connection between optical properties and electron structure of Cu-C₆₀ single-layer films // Funct. Mater. - 2003. - Vol. 10, No 3. - P. 521-524.

8. Prylutskyy Yu.I., Ogloblya O.V., Makarets N.V., Dmytrenko O.P., Kulish N.P., Buzaneva E.V., Scharff P. Irradiation effect on the electron transport properties of single-walled carbon nanotube // Frontiers of Multifunctional Integrated Nanosystems - 2003. - P. 19-22.

9. Dmytrenko O.P., Kulish M.P., Biliy M.M., Gubanov V.O., Makarets M.V., Prylutskyy Yu.I., Shlapatskaya V.V., Ulanski J., Wojcichowski R. Irradiation effects the Raman spectra of single-walled carbon nanotubes // Hydrogen materials science and chemistry of carbon nanomaterials, Kiev: IHSE - 2003. - P. 702-703.

10. Dmytrenko O.P., Kulish M.P., Biliy M.M., Hietschold M., Schulze S., Matveeva L.A., Shpilevskiy E.M., Prylutskyy Yu.I., Ulanski J., Wojciechowski R., Kozanecki M. Vibrational spectra of Cu-C₆₀ films // Hydrogen materials science and chemistry of carbon nanomaterials, Kiev: IHSE - 2003. - P. 706-707.

11. Dmytrenko O.P., Kulish M.P., Hietschold M., Muller F., Poperenko L.V., Yurgelevich I.V., Prylutskyy Yu.I., Scharff P., Braun T. Electronic and crystal structure of C₆₀ films // Hydrogen materials science and chemistry of carbon nanomaterials, Kiev: IHSE - 2003. - P. 710-711.

12. Dmytrenko O.P., Belyi N.M., Dmytruk I.N., Kulish N.P., Prylutskyy Yu.I., Shpilevsky E.M., Hietschold M., Schulze S., Scharff P. Structure and photoluminescence of single-emulsion C₆₀ and Cu-C₆₀ films // Fullerens, nanotubes, carbon nanostruct. - 2004. - Vol. 12, No 1. - P. 317-323.

13. Dmytrenko O.P., Kulish N.P., Prylutskyy Yu.I., Shpilevskiy E.M., Bilyi M.M., Gubanov V.A., Hietschold M., Schulze S., Ulanski J., Wojciechowski R., Kozanecki M., Scharff P. Raman spectra and structure of thin Cu-C₆₀ films // Thin Sol. Films - 2004. - Vol. 459. - P. 254-257.

14. Дмитренко О.П., Кулиш Н.П., Белый Н.М., Дмитрук И.Н., Прилуцкий Ю.И., Погорелов А. Е, Хитшольц М., Шульце С., Улански Я., Шарф П., Браун Т. Структура и оптические свойства пленок фуллеритов С ₆₀ при отжиге // Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології - 2004. - Т. 2, вип. 1. - С. 179-194.

15. Дмитренко О.П., Кулиш Н.П., Белый Н.М., Дмитрук И.Н., Прилуцкий Ю.И., Шпилевский Э.М., Хитшольд М., Шульце С., Журавлев Б.Ф. Структура и свойства пленок фуллеритов С ₆₀, допированных медью // Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології - 2004. - Т. 2, №. 2. - С. 565-579.

16. Dmytrenko O.P., Kulish M.P., Poperenko L.V., Prylutskyy Yu.I., Shpilevskyy E.V., Yurgelevich I.V., Hietschold M., Schulze S., Ulanski J., Scharff P. Nanostructure and electronic specnra of Cu-C₆₀ films // Hydrogen Materials Science and Chemistry of Carbon Nanomaterials, NATO Science Series, II. Mathematics, Physics and Chemistry - 2004. - Vol. 172. - P. 333-338.

17. Дмитренко О.П., Кулиш Н.П., Шатний Т.Д. Электронная структура и оптическая проводимость твердых фуллеренов С ₆₀ // Металлофиз. новейшие технол. - 2004. - Т. 26, № 7. - С. 867-885.

18. Дмитренко О.П., Кулиш Н.П., Прилуцкий Ю.И., Белый Н.М., Шлапацкая В.В., Шпилевский Э.М., Порошин В.Г., Шарф П. Радиационные повреждения и оптические свойства твердых пленок С ₆₀ с медью // Металлофиз. новейшие технол. - 2004. - Т. 26, № 8. - С. 1051-1061.

19. Дмитренко О.П. Радіаційна стійкість твердих плівок фулеренів С ₆₀ // Вісник КНУ, серія Фізика - 2004. - Т. 6. - С. 12-15.

АНОТАЦІЯ

Дмитренко О.П. Структура та оптичні властивості плівок фулеренів при легуванні і опроміненні. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.07 - фізика твердого тіла. - Київський національний університет імені Тараса Шевченка, Київ, 2005.

В роботі досліджено кристалічну структуру, електронні і коливальні спектри конденсованих плівок С ₆₀, легованих молекулами кисню і атомами міді. Вивчено вплив радіаційних пошкоджень при високоенергетичному опроміненні г-фотонами на адсорбційну здатність вуглецевих волокон і електронами (Е_е = 1,8 еВ) на кристалічну структуру, комбінаційне розсіяння світла, фотолюмінесценцію, оптичну провідність плівок С ₆₀, Cu-С ₆₀ і С ₇₀. З застосуванням методів кластерного розкладу функцій Гріна та теорії багатократного розсіяння виконано першопринципні розрахунки густини електронних станів, вільної енергії, переносу зарядів, оптичної провідності для плівок молекул С ₆₀ та деяких її сполук з атомами кисню і міді.

Показано, що при легуванні плівок фулеренів молекулами кисню, атомами міді або атомами вуглецю, одержаними при радіаційних пошкодженнях оболонок молекул С ₆₀, зміни оптичних властивостей відбуваються із-за іонізації інтеркальованих домішок і фулеренів. Іонізація атомів та молекул відповідальна за появу додаткових сил кулонівської міжмолекулярної взаємодії.

Ключові слова: фулерени, плівки, кристалічна структура, комбінаційне розсіяння світла, фотолюмінесценція, оптична провідність.

АННОТАЦИЯ

Дмитренко О.П. "Структура и оптические свойства пленок фуллеренов при легировании и облучении". - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук по специальности 01.04.07 - физика твердого тела. - Киевский национальный университет имени Тараса Шевченко, Киев, 2005.

В работе исследовано кристаллическую структуру, электронные и колебательные спектры конденсированных пленок С ₆₀, легированных молекулами кислорода и атомами меди. Изучено влияние радиационных повреждений при высокоэнергетическом облучении г-фотонами на адсорбционную способность углеродных волокон и электронами (Е_е = 1,8 МэВ) на кристаллическую структуру, комбинационное рассеяние света, фотолюминесценцию, оптическую проводимость пленок С ₆₀, Сu-С ₆₀ и С ₇₀. Используя методы кластерного разложения функций Грина и теории многократного рассеяния, выполнен первопринципный расчет плотности электронных состояний, свободной энергии, переноса зарядов, оптической проводимости для пленок молекул С ₆₀ и некоторых её соединений с атомами кислорода и меди.

Показано, что легирование кислородом пленок С ₆₀ приводит к изменениям спектра колебаний фуллеренов, что обусловлено возникновением локальных статических искажений молекул С ₆₀ и дополнительного кулоновского межмолекулярного взаимодействия. С ростом концентрации атомов кислорода параметр кристаллической решетки пленок фуллеренов возрастает, а оптическая проводимость в области межзонных переходов и спектры фотолюминесценции указывают на первоначальное накопление химически связанных молекул кислорода с последующим внедрением примесных молекул в междоузельные положения.

В случае интеркалирования твердых фуллеренов С ₆₀ атомами меди наблюдается существенная перестройка электронного энергетического спектра, которая происходит за счет заметного переноса d-электронов меди на каркас фуллеренов.

Расчеты плотности электронных состояний для внедренных атомов кислорода и меди в ГЦК решетку фуллеренов С ₆₀ свидетельствуют о слабой гибридизации энергетических состояний атомов и молекул С ₆₀, а также о появлении локальных примесных уровней атомов меди в области энергетической щели. Вычисления оптической проводимости для пленок фуллеренов С ₆₀ и Сu-С ₆₀, основанные на использовании формулы Кубо-Гриннвуда, хорошо согласуются с экспериментальными значениями . В случае увеличения плотности s-состояний кислорода, который служит акцептором зарядов, перетекающих с молекул С ₆₀, наблюдается резкое уменьшение высокочастотной оптической проводимости, что находит подтверждение при эллипсометрическом изучении поведения электронной структуры пленок С ₆₀, легированных кислородом. При легировании твердых С ₆₀ атомами меди изменение определяется возникновением локальных примесных состояний атомов меди.

Облучение высокоэнергетическими электронами пленок фуллеренов С ₆₀ приводит к радиационным повреждениям оболочек кластерных молекул, которое сопровождается смещениями атомов углерода и их внедрением в междоузельные положения и, как следствие, изменением оптических свойств твердых С ₆₀.

Ключевые слова: фуллерены, пленки, кристаллическая структура, комбинационное рассеяние света, фотолюминесценция, оптическая проводимость.

ABSTRACT

Dmytrenko O.P. "Structure and optical properties of the fullerene films during the doping and irradiation". - Manuscript.

Thesis to the obtained of the scientific degree of Candidate of Physics and Mathematical Sciences in specialty 01.04.07 - solid state physics. - the Kyiv National Shevchenko University, Kyiv, 2005.

The crystal structure, electronic and vibrational spectra of the condensed C₆₀ films, alloyed by the oxygen molecules and copper atoms are investigated in this work. The influence of radiation damages during the high-energy irradiation by г-photons on the adsorption ability of carbon fibers and by electrons (E_e = 1,8 MeV) on the crystal structure, Raman scattering, photoluminescence and optical conductivity of the C₆₀, Сu-С ₆₀ and C₇₀ films is studied.

The first-principle calculation of the density of electronic states, free energy, the transfer of charges, optical conductivity for the C₆₀ film and some of its compounds with the atoms of oxygen and copper is carried out using the method of the cluster expansion of the Green functions and theory of multiple scattering.

It is shown that with the alloying of the fullerene films by the oxygen molecules, copper atoms or carbon ones, obtained with the radiation damages of the fullerene C₆₀ shells, the change in the optical properties takes place because of the ionization of the intercalated impurities and fullerenes. The ionization of atoms and molecules is responsible for the appearance of extra forces of Coulomb intermolecular interaction.

Key words: fullerenes, films, crystal structure, Raman scattering, photoluminescence, optical conductivity.

Размещено на Allbest.ru