Программный комплекс для моделирования электронных свойств однослойных углеродных нанотрубок с дефектами замещения Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

УДК 004.946

Л. О. Хорошавин1, П. Н. Дьячков2, Э. М. Кольцова1*

Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия, 125480, Москва, ул. Героев Панфиловцев, д. 20

2Институт общей и неорганической химии имени Н.С. Курнакова РАН, Москва, Россия, 119991, Москва, Ленинский проспект, д. 31

* e-mail: [email protected]

ПРОГРАММНЫЙ КОМПЛЕКС ДЛЯ МОДЕЛИРОВАНИЯ ЭЛЕКТРОННЫХ СВОЙСТВ ОДНОСЛОЙНЫХ УГЛЕРОДНЫХ НАНОТРУБОК С ДЕФЕКТАМИ ЗАМЕЩЕНИЯ

Аннотация

Разработан программный комплекс, позволяющий моделировать электронные свойства идеальных однослойных углеродных нанотрубок, а так же нанотрубок, содержащих точечные и сложные дефекты замещения. Расчет зонной структуры идеальной системы осуществляется с помощью метода линеаризованных присоединенных цилиндрических волн, а возмущенной системы - с использованием метода функций Грина и матричного уравнения Дайсона.

Ключевые слова: моделирование, углеродные нанотрубки, дефекты замещения, клиент-серверное приложение, высокопроизводительные вычисления.

Углеродные нанотрубки известны замечательным совершенством своего строения, высококачественная нанотрубка может содержать в среднем не более четырех дефектов на 1 мкм ее длины. Тем не менее, в них, конечно же, могут присутствовать дефекты атомного масштаба: примеси, вакансии, адсорбированные на стенках нанотрубки дополнительные атомы, топологические дефекты, например, пятиугольники, семиугольники, пары пятиугольник-семиугольник вместо двух соседних шестиугольников, изгибы, сочленения участков разного диаметра и хиральности. Все такие дефекты могут формироваться самопроизвольно в процессе синтеза нанотрубок, а могут возникать и при внешнем воздействии на нанотрубки. Дефекты могут быть экспериментально детектированы, изучены, а главное, они могут влиять на свойства нанотрубок, поэтому целенаправленное формирование дефектной структуры можно использовать для дизайна наноматериалов.

Присутствие структурных дефектов приводит к изменению электронного строения, транспортных свойств, оптического поглощения, теплоемкости, магнитной восприимчивости нанотрубок, и даже один-единственный дефект может резким образом изменить электрические характеристики такого одномерного проводника. В частности, точечные дефекты в одностенной нанотрубке могут действовать как настраиваемые центры рассеяния электронов, и тем самым нанотрубки с дефектами могут служить в качестве элементов одноэлектронных транзисторов. Понимание того, каким образом несовершенство структуры нанотрубки влияет на ее свойства, исключительно важно. В связи с этим авторами был разработан программный комплекс, позволяющий моделировать электронные свойства одностенных углеродных нанотрубок, содержащих дефекты замещения.

Процесс расчета нанотрубки с дефектом состоит из следующих стадий: сначала вычисляется электронная структура идеальной нанотрубки, затем находится функция Грина идеальной системы и наконец, находится электронное строение нанотрубки с дефектом путем учета вариации функции Грина под влиянием дефектов. Для нахождения зонной структуры идеальной нанотрубки был выбран метод линеаризованных присоединенных цилиндрических волн [1], представляющий собой распространение на системы с цилиндрической геометрией метода линейных присоединенных плоских волн (ЛППВ) - одного из наиболее точных в теории зонной структуры объемных твердых тел и применимого, в частности, к соединениям переходных металлов. Для нахождения электронной структуры возмущенной системы был выбран метод функций Грина [2].

Квантово-механические расчеты нанотрубок, содержащих точечные дефекты, показали, что для осуществления моделирования требуются значительно большие вычислительные ресурсы, чем те, которыми обладает персональный компьютер. В случае парных и более сложных дефектов требования к вычислительным мощностям еще выше. В связи с этим большую значимость приобретает использование высокопроизводительных

вычислительных систем (суперкомпьютеров). Для этих целей было разработано клиент-серверное приложение [3].

Клиентская часть программного комплекса представляет собой Windows/Linux/MacOS совместимое приложение, которое так же доступно через Web-интерфейс. После входа в систему пользователь попадает в личный кабинет (рис. 1), в котором он может: открыть результаты завершенного расчета, удалить завершенный расчет, увидеть прогресс текущих расчетов, снять с выполнения текущий расчет, создать новый расчет. Следует

отметить, что программный комплекс спроектирован таким образом, что задачи разных пользователей полностью изолированы друг от друга и выполняются на сервере параллельно.

При нажатии на кнопку «Новый расчет» открывается окно создания нового расчета (рис. 2). В первую очередь пользователю нужно создать новую нанотрубку. Для этого необходимо задать индексы хиральности т и п и длину связи углерод-углерод. После этого будет построена трехмерная модель

полученной нанотрубки. Затем следует указать основные параметры расчета: радиусы внешнего и внутреннего непроницаемых цилиндрических барьеров, энергию обрезания (регулирует выбор числа базисных функций в методе ЛПЦВ), количество точек расчета, точность вычисления. Далее пользователь может добавить дефект замещения в нанотрубку, либо начать расчет электронной структуры идеальной нанотрубки.

Neuj calculation

Creation date: Calculation name: Description:

2014-06-20 20:12:10 БкБ 30 eV 30 eV energy cut

2014-06-20 20:12:50 БкБ Б0 eV Б0 eV energy cut

2014-12-0114:31:26 БкБ 100 eV 100 eV energy cut

Progress:

Open

Open

Manage calc.

Рис. 1. Личный кабинет пользователя

С-С length: Radius a: Radius b:

С

12.76

|53

12.31

/

Zw

Calc accuracy: Brulluen points: r~ Calculate coords: I" Brulluen full zone fitom struct: Calculation limit [min]: [bQ

loutatm005x005.str

\

Atomic charge: Number of ualence electrons:

Rtom parameters:

Г5-

1-14.087 1-5.8626

Г

#4

S electrons energy: P electrons energy: D electrons energy: |lQ F electrons energy: [20 G electrons energy: |3Q

Unpure atom parameters:

I Atomic charge: \l Number of ualence electrons:

S electrons energy: P electrons energy: D electrons energy: F electrons energy: G electrons energy:

1-18.875

Рис. 2. Окно создания нового расчета

Создание дефекта происходит следующим образом: первый примесный атом всегда устанавливается вместо атома углерода с нулевым индексом, второй и последующие - в произвольные позиции путем ввода индекса замещаемого атома (либо щелчком по соответствующему атому на трехмерной модели). В случае, когда количество замещенных атомов два и более, показываются

радиусы взаимодействия примесных атомов, для того, чтобы пользователь мог визуально определить какой дефект был получен - один сложный или несколько точечных. После того как все данные для расчета сформированы на клиенте, они посредствам сети интернет передаются на суперкомпьютер, где ставятся в общую очередь задач пользователей [3] .

Рис. 3. Электронное строение нанотрубки (5,5). График с без маркера - строению нанотрубки, с

После того, как задача поставлена в очередь, пользователь может отслеживать ее статус и прогресс выполнения через личный кабинет, при этом ему не обязательно находиться в системе - при следующем входе статусы задач будут обновлены, а результаты завершенных вычислений будут автоматически загружены на клиент. В дальнейшем их можно будет

Энергия, эВ

маркером соответствует строению идеальной нанотрубки, точечным дефектом в виде атома азота

сохранить в текстовом или табличном виде (в формате файла Microsoft Excel). Так же через специальный интерфейс клиента пользователь может просмотреть (рис. 3) и обработать результаты расчета (изменить масштаб и стиль кривых).

Работа выполнена в рамках проекта РФФИ № 1407-00960.

Хорошавин Леонид Олегович, аспирант кафедры Информационных компьютерных технологий РХТУ им. Д. И. Менделеева, Россия, Москва.

Дьячков Павел Николаевич, д.х.н., профессор, ведущий научный сотрудник лаборатории Квантовой химии Института общей и неорганической химии им. Н. С. Курнакова РАН, Россия, Москва.

Кольцова Элеонора Моисеевна, д.т.н., профессор, заведующая кафедрой Информационных компьютерных технологий РХТУ им. Д. И. Менделеева, Россия, Москва.

Литература

1. Дьячков П. Н., Кепп О. М., Николаев А. В. Метод линейных присоединенных цилиндрических волн в теории электронной структуры нанопроводов // Доклады Академии Наук. Физическая химия. - 1999. - Т. 365, № 2. - С. 215-220.

2. Кутлубаев Д. З., Макаев Д. В., Дьячков П. Н. Электронная структура углеродных нанотрубок с точечной примесью // Журнал неорганической химии. - 2011. - Т. 56, № 56. - С. 1371-1375.

3. Хорошавин Л. О., Кольцова Э. М. Архитектура высокопроизводительного клиент-серверного приложения для квантово-механического расчета однослойных углеродных нанотрубок, содержащих дефекты атомного масштаба // Успехи в химии и химической технологии. - 2014. - T. 28, № 1. - C. 26-29.

Khoroshavin Leonid Olegovich, Dyachkov Pavel Nikolaevich2, Koltsova Eleonora Moiseevna1 *

1D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia.

2Kurnakov Institute of General and Inorganic Chemistry, Russian Academy of Sciences, Moscow, Russia. * e-mail: [email protected]

PROGRAM COMPLEX FOR MODELING OF ELECTRONIC PROPERTIES OF SINGLE WALLED CARBON NANOTUBES WITH SUBSTITUTIONAL DEFECTS

Abstract

A software complex for simulation of the electronic properties of ideal single-walled carbon nanotubes, as well as nanotubes containing point and complex substitutional defects developed. The calculation of the band structure of an ideal system implemented by the method of linearized augmented cylindrical waves, and the perturbed system - using the method of Green's functions and Dyson matrix equation.

Key words: modeling, carbon nanotubes, substitutional defects, client-server application, high-performance computing.