Физика наноуглеродных материалов

VI курс, XII семестр

Лектор — профессор Образцов Александр Николаевич

Лекций: 36 часов, практических занятий: 4 часа.

В курсе рассматриваются вопросы, относящиеся к общим сведениям об углероде, физических принципах формирования конденсированных форм углеродных материалов и об их физических свойствах. Отдельно рассматриваются основные аллотропные формы углероды в виде алмаза и графита, а также о наноструктурированные формы в виде наноалмаза, фуллеренов, углеродных нанорубок, графена и их производных. Для каждой из рассматриваемых форм углерода дается представление о методах получения, структурных характеристиках, особенностях физических свойств и возможностях практического использования. Особое внимание уделяется наноструктурированным формам углерода с графитоподобной атомной структурой. В рамках курса студенты познакомятся с современными методами создания и исследования углдеродных материалов, с научными представлениями о физических явлениях, связанных с наноразмерными формами углерода.

Материалы курса

Материалы лекций доступны только пользователям кафедры после авторизации.

Структура курса

Тема 1, 1-2 неделя

Общие сведения об углеродных материалах. Аллотропные формы углерода: алмаз, лонсдейлит, графит, карбин, наноуструктурированный углерод, графитоподобный углерод, аморфный углерод.

Тема 2, 3-4 неделя

Кристаллическая структура алмаза, лонсдейлита. Теплофизические свойства. Механические свойства. Получение алмаза. Наноалмаз. Методы получения наноалмаза. Трансформация алмаза в графитоподобные формы.

Тема 3, 5-6 неделя

Электронные свойства алмаза. Взаимосвязь структурных и электронных свойств. Энергетическая зонная диаграмма. Оптические свойства. Экспериментальное определение электронных свойств. Использование алмаза в электронике.

Тема 4, 7-8 неделя

Алмазные пленки. Методы получения. Механизм формирования алмазных пленок при конденсации углерода из газовой фазы. Использование алмазных пленок.

Тема 5, 9-10 неделя

Кристаллическая структура графита. Гексагональная и ромбоэдрическая формы графита. Поликристаллический графит. Структурные дефекты в графите.

Тема 6, 11 неделя

Графен. Структурные, электронные, оптические, механические свойства. Получение.

Тема 7, 12 неделя

Топология графитоподобных структур. Теорема Эйлера. Фундаментальные принципы формирования наноструктурированных форм графитоподобных материалов.

Тема 8, 13 неделя

Фуллерены. Физические свойства. Фуллериты. Фуллериды. Эндоэдральные фуллерены. Луковичные структуры. Полимеризация фуллеренов.

Тема 9, 14 неделя

Углеродные нанотрубки. Структура, разновидности. Механические свойства нанотрубок. Применение механических свойств углеродных нанотрубок.

Тема 10, 15 неделя

Электронные свойства углеродных нанотрубок. Углеродные нанотрубки как цилиндрический графен. Применение нанотрубок в электронике.

Тема 11, 16 неделя

Разупорядоченные и аморфные формы углеродных материалов. Принципы получения. Использование.

Вопросы для экзамена/зачета по курсу «Физика углеродных материалов»

1. Типы гибридизации связей в углеродных материалах
2. Аллотропные формы углерода
3. Кристаллическая решетка и элементарная ячейка алмаза
4. Кристаллические формы алмаза
5. Сходства и различия алмаза и лонсдейлита
6. Примеси в алмазе
7. Классификация алмазов
8. Физический механизм теплопроводности алмаза
9. Факторы, определяющие механические свойства алмаза
10. Получение искусственных алмазов
11. Наноалмаз: получение и особенности свойств
12. Формирование энергетических зон алмаза
13. Особенности оптических свойств алмаза
14. Роль примесей в оптических свойствах алмаза
15. Отрицательное сродство к электрону в алмазе
16. Комбинационное рассеяние в алмазе
17. Влияние размера кристаллитов на спектры комбинационного рассеяния
18. Гигантское комбинационное рассеяние света
19. Получение наноалмазов
20. Условия существования различных форм углерода
21. Химическая газотранспортная реакция
22. Роль водорода в получении алмазных пленок
23. Механизм роста алмаза из газовой фазы
24. Методы газофазного осаждения алмаза
25. Механизм роста поликристаллического алмаза
26. Алмазоподобные пленки
27. Метастабильность алмаза. Переход алмаза в графит
28. Графен. Атомная структура графена.
29. Графит. Кристаллическая структура графита
30. Обратная и прямая решетки графита.
31. Элементарные ячейки прямой и обратной решеток графита.
32. Зонная структура графена и графита.
33. Двойной оптический резонанс в графите.
34. Условия формирования замкнутых структур из графена
35. Фуллерены — атомная структура
36. Методы получения фуллеренов
37. Механизм формирования фуллеренов
38. Свойства фуллеренов
39. Фуллериты и фуллериды
40. Эндоэдральные фуллерены. Луковичные структуры.
41. Полимеризация фуллеренов
42. Углеродные нанотрубки — атомная структура
43. Методы синтеза углеродных нанотрубок
44. Особенности механических свойств углеродных нанотрубок
45. Электронные свойства нанотрубок
46. Металлические и полупроводниковые нанотрубки

Список рекомендованной литературы

1. Л.Н. Сидоров, М.А. Юровская, А.Я. Борщевский, И.В. Трушков, И.Н. Иоффе, «Фуллерены» Издательство «Экзамен», Москва, 2005.
2. П.Н. Дьячков, «Углеродные нанотрубки», Издательство «БИНОМ. Лаборатоия знаний», Москва, 2006.
3. Нанотехнологии в электронике, под. ред. Ю.А. Чаплыгина, Издательство Техносфера, Москва, 2005.
4. Э.Р. Кларк, К.Н. Эберхардт, «Микроскопические методы исследования материалов», Издательство «Техносфера», Москва, 2007.
5. П. Харрис, «Углеродные нанотрубы и родственные структуры», Издательство «Техносфера», Москва, 2003.
6. J.E. Dahl, S.G. Liu, R.M.K. Carlson, Isolation and Structure of Higher Diamondoids, Nanometer-Sized Diamond Molecules, Science, (2003) 299, 96-99.
7. C. McCammon, Deep Diamond Mysteries, Science (2001) 293, 813-814.
8. S.E. Haggerty, A Diamond Trilogy: Superplumes, Supecontinents and Supernovae, Science, (1999) 285, 851-860.
9. A. H. Castro Neto, F. Guinea, N. M. R. Peres, K. S. Novoselov and A. K. Geim, The electronic properties of graphene, Reviews Of Modern Physics, (2009) 81, 109-162