Детерминированные (кристаллические и некристаллические) тетракоординированные структуры и их компьютерное моделирование
В последнее время набирает силу новое научное направление — наномине-ралогия, одним из основных объектов которой являются (полностью или частично) тетракоординированные структуры фуллеритов, содержащиеся, в частности, и в шунгитовых породах Карелии. Тетраэдр — это симплекс трехмерного евклидо-вого пространства Е3, поэтому тетракоординированные структуры, в которых каждая вершина связана с 4-мя… Читать ещё >
Содержание
- Глава 1. Литературный обзор. Строение и свойства алмазоподобных структур- модели аморфных тел, наноструктуры в минералогии
- 1. 1. Фазовая диаграмма, кристаллическая и зонная структура алмаза
- 1. 1. 1. Фазовая диаграмма углерода и его ближайших аналогов — Si, Ge, Sn
- 1. 1. 2. Кристаллическая структура алмаза
- 1. 1. 3. Зонная структура алмаза
- 1. 2. Базовые модели аморфных алмазоподобных структур
- 1. 2. 1. Модель непрерывной случайной решетки Захариасена
- 1. 2. 2. Модель Полка
- 1. 2. 3. Модель Коннела-Темкина
- 1. 2. 4. Некоторые другие модели аморфных структур
- 1. 3. Наноструктуры в минералогии, кластеры и фуллерены
- 1. 3. 1. Исследования углеродсодержащих наноминералов
- 1. 3. 2. Кластеры, фуллерены и фуллериты
- 1. 3. 3. Фуллерены и фуллериты в природе
- 1. 1. Фазовая диаграмма, кристаллическая и зонная структура алмаза
- 2. 1. Расширения и обобщения классической кристаллографии
- 2. 1. 1. Необходимость обобщения классической кристаллографии
- 2. 1. 2. Гоуппы гомологии как геометрическое расширение классической симметрии
- 2. 1. 3. Теория цветной симметрии и ее
- 2. 2. Нерегулярный политоп {240} как прафаза алмазоподобных структур
- 2. 2. 1. Концепция прафазы в теории структурных фазовых переходов
- 2. 2. 2. Параллелоэдр структуры алмаза
- 2. 2. 3. Политоп {3,3,5} - 4-мерный икосаэдр
- 2. 3. Порождающие кластеры тетраэдрических и тетракоординированных структур
- 2. 3. 1. Система порождающих кластеров тетраэдрических структур
- 2. 3. 2. Порождающие кластеры алмазоподобных структур, определяемые самодуальными конфигурациями
- 2. 3. 3. Система порождающих кластеров алмазоподобных структур
- 2. 4. Метод молекулярной механики как основа’компьютерного моделирования тетракоординированных структур
- 3. 1. Компьютерные модели кристаллических порождающих кластеров алмазо подобных структур
- 3. 1. 1. Компьютерные модели порождающих кластеров базовых структур алмаза и лонсдейлита
- 3. 1. 2. Компьютерные модели порождающих кластеров кристаллических фаз высокого давления германия и кремния (ВС-8, R-8)
- 3. 1. 3. Априорное построение модели кристалла типа allo-Ge
- 3. 1. 4. Порождающий кластер ядра винтовой дислокации в алмазе (Dd)
- 3. 2. Моделирование порождающих кластеров политопа {240}
- 3. 2. 1. Моделирование симметрийно-возможных трансформаций между ПК алмаза и 30/11. Построение модели ПК 40/
- 3. 2. 2. Моделирование симметрийно-возможных трансформаций собранных из ПК стержневых подструктур
- 3. 3. Моделирование линейных дефектов в «идеальных» алмазоподобных структурах
- 3. 3. 1. Модель дисклинационного алмазного кластера
- 3. 3. 2. Модель дисклинационного кластера. {30/11}dc
- 3. 4. Моделирование вершинной фигуры политопа {240}
- 4. 1. МДНАС как объединение кластеров реально существующих структур
- 4. 2. МДНАС как объединение линейных подструктур
- 4. 3. Модель «первой короны» канала 30/
- 4. 4. Компьютерная модель МДНАС как результат сборки из двух порождающих кластеров: алмаза и 30/
- 4. 5. Возможности реализации МДНАС в Е3 — алмазоподобные пленки нового поколения
- 4. 6. Кластер фуллерита как кластер детерминированной тетракоординиро-ванной структуры
- 4. 6. 1. Фуллерит как объединение фуллеренов Cm — модели и экспериментальные данные
- 4. 6. 2. Модель икосаэдрического тетракоординированного квазикристалла [139] и построение модели фуллерита из фуллеренов Сво с общими пента-циклами
Детерминированные (кристаллические и некристаллические) тетракоординированные структуры и их компьютерное моделирование (реферат, курсовая, диплом, контрольная)
Актуальность темы
.
В последнее время набирает силу новое научное направление — наномине-ралогия, одним из основных объектов которой являются (полностью или частично) тетракоординированные структуры фуллеритов, содержащиеся, в частности, и в шунгитовых породах Карелии. Тетраэдр — это симплекс трехмерного евклидо-вого пространства Е3, поэтому тетракоординированные структуры, в которых каждая вершина связана с 4-мя ближайшими, являются особо важными — базовыми для значительного числа структур. Наряду с алмазоподобными структурами к тетракоординированным (тетраэдрическим) относятся: цеолиты силикаты, алю-мофосфаты, и т. п., реализующиеся в кристаллических фазах высокого давления, кристаллах с линейными дефектами, тонких пленках, наноматериалах и в других, активно изучаемых в настоящее время, системах.
На протяжении многих лет вывод возможных структурных типов (к которым относятся такие структуры) требовал трудоемких эмпирико-интуитивных построений тетракоординированных (тетраэдрических) графов, образованных множеством вершин и ребер структурыи лишь сравнительно недавно для решения этой задачи стал применяться метод теоретического структурного моделирования. Это обусловлено двумя основными причинами: развитием симметрийных (теоретико-групповых) основ кристаллографии алмазоподобных структур и вычислительными возможностями, обусловленными достижением ЭВМ определенного технического уровня.
Использование аппарата обобщенной кристаллографии алмазоподобных структур позволяет получать детерминированные модели, не прибегая к «экспериментальному» построению компьютерных моделей, примером которого может служить получение некристаллической тетракоординированной структуры из кристаллической за счет недетерминированных разрывов связей с их последующим соединением в некристаллическую структуру. Этот аппарат позволяет определять и симметрийно-возможные структурные фазовые переходы в тетракоординированных системах. Таким образом, применение обобщенной кристаллографии алмазоподобных структур позволяет увеличить эффективность использования ЭВМ, заменив чисто вычислительные громоздкие алгоритмы симметрий-ными (теоретико-групповыми) критериями.
Применение недавно разработанного аппарата обобщенной кристаллографии алмазоподобных структур открыло возможности для адекватного симмет-рийного описания и некристаллических (тетракоординированных) детерминированных структур: квазикристаллов, «аморфных» полупроводников, кластеров и т. п. Реальные структуры таких материалов хорошо изучены, что создает необходимый экспериментальный фундамент для сопоставления с компьютерными моделями, которые могут быть построены на основе этого аппарата. Широкое использование этих материалов (например, алмазоподобных пленок) в исследовательских и прикладных целях делает построение таких компьютерных моделей весьма актуальным.
Цель работы Использование аппарата обобщенной кристаллографии алмазоподобных структур для построения компьютерных моделей детерминированных (кристаллических и некристаллических) тетракоординированных структур.
На защиту выносятся.
1. Согласование методики структурного моделирования (молекулярной механики) с аппаратом обобщенной кристаллографии алмазоподобных структур для построения компьютерных моделей порождающих кластеров тетракоординированных структур.
2. Построение компьютерных моделей тетракоординированных (кристаллических, реально-кристаллических и некристаллических) структур.
3. Моделирование взаимных трансформаций между порождающими кластерами, а также составленными из них стержневыми подструктурами тетракоординированных систем.
4. Определение пределов упорядочения непрерывной решетки из тетраэдри-чески связанных атомов, содержащей пента-, гекса и гептациклы: кристаллического — Allo-Geнекристаллических — непрерывной случайной решетки (модели Полка) и максимально детерминированной некристаллической алмазоподобной структуры.
5. Компьютерная модель кластера фуллерита, рассматриваемого как тетра-координированная структура.
Научная новизна работы.
1. Аппарат обобщенной кристаллографии алмазоподобных структур применен для построения компьютерных моделей порождающих кластеров тетракоор-динированных структур. Для полученных моделей установлены их отклонения от идеальной тетракоординированности.
2. На основе обобщенной кристаллографии алмазоподобных структур разработана оригинальная методика построения компьютерных моделей (кристаллических и некристаллических) тетракоординированных структур в рамках метода молекулярной механики.
3. Симметрийная возможность взаимных трансформаций порождающих кластеров и составленных из них стержневых подструктур тетракоординированных систем подтверждена компьютерной моделью.
4. Получена компьютерная модель максимально детерминированной некристаллической алмазоподобной структуры. Проведен расчет ее параметров и сопоставление с моделью Полка — непрерывной случайной решетки из тетраэдриче-ски связанных атомов, содержащей пента-, гекса и гептациклы. Показано, что максимальная детерминированность объединения тетраэдрически связанных атомов, содержащее пента, гекса и гептациклы, приводит либо к «традиционному» кристаллическому строению (кристалл Allo-Ge) либо к построенной модели.
5. Предложена модель кластера фуллерита, рассматриваемого как тетрако-ординированная структура, собранная из фуллеренов С60 с общими пятерными циклами.
6. Показана возможность реализации максимально детерминированных некристаллических алмазоподобных структур как тонких алмазных пленок нового поколения.
Практическая значимость работы.
1. Разработанная методика позволяет производить структурное моделирование (кристаллических и некристаллических) тетракоординированных структур и фазовых переходов в них. При этом появляется возможность сопоставления параметров моделей с экспериментальными данными.
2. Построенные компьютерные модели могут быть использованы для разработки адекватной классификации наноструктур и аморфных систем.
3. Предсказан ряд тетракоординированных структур, существование части которых (например allo-Ge) установлено экспериментально.
4. Построенные модели максимально детерминированных некристаллических алмазоподобных структур позволили определить параметры экспериментальной установки, собранной для управляемого синтеза алмазной пленки нового поколения.
Апробация работы Результаты работы докладывались и обсуждались на VIII, IX, X, XI Международных симпозиумах «Тонкие пленки в электронике» Йошкар-Ола (1996, 2000),. Иваново (1998), Ярославль (1999), III и IV Международных. конференциях «Кристаллы: рост, свойства, реальная структура, применение. Александров (1997, 1999). Всероссийских конференциях «Алмазы в технике и электронике». Москва (1997, 1998). I и II Международных конференциях «Аморфные и микрокристаллические полупроводники». С.-Пб (1998, 2000). 4-ом Международном симпозиуме по алмазным пленкам и связанным материалам Харьков (1999). Научной конференции «Ломоносовские чтения». Москва (1999). VI Международной научно-технической конференции «Высокие технологии в промышленности России». Москва (2000).
Публикации.
По теме диссертации опубликована 21 печатная работа (14 статей и 7 тезисов докладов).
Структура и объем диссертации
.
Диссертация состоит из введения, четырех глав и выводов. Работа изложена на 148 страницах машинописного текста, включая 16 таблиц и 69 рисунков.
Список литературы
насчитывает 175 наименований.
Основные результаты диссертации опубликованы в работах [131, 150, 152−172 ].
Автор выражает глубокую признательность научному руководителю: чл.-корр. РАН, профессору B.C. Урусову, научному консультанту д.ф.м.н. профессору М. И. Самойловичу, а также к.ф.м.н. А. Л. Талису.
Автор благодарен коллективу отдела физических исследований ВНИИ Синтеза Минерального Сырья за внимание и помощь в работе.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
.
1. Согласование методики структурного моделирования (молекулярной механики) с аппаратом обобщенной кристаллографии алмазоподобных структур позволило построить компьютерные модели порождающих кластеров (ПК) кристаллических алмазоподобных структур: алмаза, лонсдейлита, фаз высокого давления кремния (ВС-8 и R-8), аллотропного Ge (allo-Ge). Сопоставление построенных моделей с экспериментальными данными позволило определить границы применения методики. Из ПК allo-Ge (содержащих наряду с гекса-циклами пента и гептациклы) построена компьютерная модель ромбического кристалла, существование структурного типа которого независимо подтверждено теоретическими кристаллохимическими построениями и экспериментально.
2. Для ядра винтовой дислокации в алмазе (Dd), политопа {240} (Рг), каналов 30/11 и 40/9/ в политопе {240} построены компьютерные модели ПК, позволившие подтвердить симметрийную возможность взаимных трансформаций 14-вершинных ПК: алмаза, Dd, лонсдейлита, Ргалмаза и 30/11- Dd, ВС-8 и R-8.
3. Предложен механизм фазовых переходов между тетракоординирован-ными структурами, определяемый компьютерной моделью взаимных трансформаций <111>-стержневой подструктуры алмаза и стержневой подструктуры, определяемой осью 6] политопа {240}. Показано, что эти трансформации реализуются кооперативным движением атомов, которое определяется давлением и вращением вдоль тройной оси.
4. Посредством сборки каналов, генерируемых ПК алмаза и 30/11, построена компьютерная модель МДНАС, в которой между этими каналами из гексациклов возникают каналы с поперечными пента и гептациклами. Для полученной модели проведен расчет структурных параметров (распределеня длин связей, углов между связями и торсионных углов). Полученные результаты позволяют утверждать, что максимальная детерминированность объединения тетраэдрически связанных атомов, содержащее пента, гекса и гептациклы, приводит либо к «традиционному» кристаллическому строению (кристалл Allo-Ge) либо к построенной модели.
5. Показана возможность реализации МДНАС как тонкой алмазной пленки, которая в отличие от получаемых в настоящее время поликластерных алмазных пленок будет гомогенной.
6. Используя сечения политопа {5,3,3}, построена компьютерная модель кластера фуллерита, состоящего из 12 фуллеренов С6оВ отличие от традиционной модели С60, получаемой как усеченный икосаэдр, фуллерен С60 получен из политопа {5,3,3} как усеченный додекаэдр. Показано, что структура фуллерита, собранного из таких кластеров, может представлять собой тетракоорди-нированную кристаллическую структуру с гигантской элементарной ячейкой.
Список литературы
- Jayaraman A., Klement W., Jr., Kennedy G.C. // Phys. Rev. v.130. 1963. p. 540.
- Bundy F. P. // J. Chem. Phys. v.41. 1964. p.3809.
- Lees J., Williamson B.H.J. //Nature. 1965. v.206. p.278.
- Babb S.E., .Jr. // J. Chem. Phys. v.37. 1962. p.922.
- Кеннеди Д., Ньютон P. // Твердые тела под высоким давлением / Пер. с англ. под ред. А. П. Виноградова. -М.: Мир, 1966 с. 187.
- Decker D. L., Jorgensen J.D., Young R.W. // High Temp. High Press, v.7. 1975. p.331.
- Vaiday S.N., Akella J., Kennedy G.C. // J. Phys. and Chem. Sol. v.30. 1969. p.1411.
- Minomura S., Drickamer H. G. // Ibidem, v.23. 1962. p.451.
- Jamieson J. C. // Science, v.139. 1963. p.762.
- Kasper J. S, Richards S. M. // Acta Cryst. v.17. 1964. p.752.
- Bundy F.P., Kasper J. S. // Ibidem. P. 340.
- Wentorf R. H. Kasper J. C.//Science. 1963. v. 139. P. 338.
- Bates C.H., DachilleF., Roy R.// Science, v. 147. 1965.p.860.
- Gruttner A., Nesper R., Schnering H.G. // Angew. Chem. Bd 94. 1982. s. 933 Angew. Chem. Intern. Ed. Eng. Bd 21. 1982. s.912.
- Chardi D.J. // Phys. Rev. Ser. B. v.32. 1985. p.6485.
- Bundy F.P. // J. Geophys. Res. v.85. 1980. p.6930. Solid State Physics under Pressure / Ed. S. Minomura. New York: North-Holland. 1984.p.l.
- Clarke R., Uher C. //Adv. Phvs. v.33. 1984. p.346.
- Yin M. Т., Cohen M. L. // Phvs. Rev. Ser. B. v.29. 1984. p.6996.
- Bundy F.P., Bovenker H.P., Strong H.M., Wentorf R.H., Jr. // J. Chem. Phvs. v.35. 1961. p.383.
- Kennedy C.S., Kennedy G.C. // J. Geophvs. Res. v.81. 1976. p.2467.
- Rossini F.D., Jessup R.S. // J. Res. NBS U.S. v.21. 1938. p.491.
- ЛейпунскийО.П.//Успехихим.t.8. 1939. c.1519.
- Bundy F. P. // Science, v.137.1962. p. l 155- J. Chem. Phys. v.38. 1963. p. 618.
- Фатеева Н.С., Верещагин Л. Ф. // Письма ЖЭТФ. т.13. 1971. с. 157. Верещагин Л. Ф, Фатеева Н. С. // ЖЭТФ. т.55. 1968. с. 1145.
- Bundy F.P. // a) Science, v.137. 1962. p. l 157- 6) J. Chem. Phys. v.38. 1963. p.631.
- Aust R.B., Drickamer H.G. // Science, v.140. 1963. p.817.
- Bundy F.P., Kasper J.S. // J. Chem. Phvs. v.46. 1967. p.3437.
- DeCarliP.S., Jamieson J.C.// Science, v. 133. 1961. p. 1821.
- Netherlands Patent Release No. 6 506 395, Nov. 22, 1965. E. I. Du Pont de Nemours.
- McKenzie D.R. et. al. Thin Solids Films, v.206, 1971, p.198.
- Природные алмазы России. Под ред. В. Б. Кваскова. М.: «Полярон». 1997. 303 с.
- Philip H.R., Taft Е.А. Phys. Rev, v. 127, 1967, p.159.
- Painter G.S. et al. Phys. Rev., B, v. 4, N10, 1971, p. 3610.
- Pate B.B. Surf. Sci., v. 165, 1986, p. 83.
- Zallen R., The Physics of Amorpous Solids, Wiley, New York, 1983.
- Zacharisen W. H., J.Am. Chem. Soc., 31, 1164 (1932)
- Polk D.E. J. Non Cryst. Solids, 5, 365 (1971).
- Barna A., Barna P.B., Radnoczi G., Toth L., Thomas P., Phys.Stat. Solidi, 41,81 (1977)
- Mosserei R., Sella C., Dixmier J, Phys. Stat. Solid, 52, 475 (1979)
- Postol T. A., Falco C.M., Kampwirth R. Т., Schuleer I. K., Yelon W. В., Phys. Rev. Lett., 45, 648(1980)
- Knights J.C., Hayes T.M., Mikkelsen J.C., Phys. Rev. Lett., 39, 712 (1977).
- Jeffrey F.R., Dubois-Murphy P., Gerstein В., Phys. Rev., B23, 2099 (1981).
- Lamotte B.R., Rousseau A., J. Physigue, 42, C4−839 (1981).
- Reimer J.A., Dubois-Murphy p., Gerstein В. C., Knights J.C., J. Chem Phys., 74, 1501 (1981).
- Brodsky M.H., Cuomo J.J., Evangelisti F.-In: Amorphous and Liyuid Semiconductors (W. Spear, ed.), CICL, Univer. of Edinburgh, 1977, p.397.
- Moss S.C., Graczyk J.F., Ppys. Rev. Lett., 23,1167 (1969).47