Fullerének és szén nanocsövek elméleti vizsgálata = Theoretical investigation of fullerenes and carbon nanotubes

A pályázat fő célkitűzésének megfelelően számításokat végeztünk (főleg DFT szinten), hogy megértsük egyfalú szén nanocsövek (SWCNT) rezgési és elektromos tulajdonságait: - Megmagyaráztuk a szén nanocsövek Raman spektrumában a rendezetlenség által indukált sáv (D sáv) tulajdonságait. Rámutattunk a Van Hove szingularitások fontosságára. - DFT számolásokkal meghatároztunk egy általános töltés - megnyúlás kapcsolatot a szén nanocsövekre. Ez adja az alapot a nanocsövek "mesterséges izom"-ként való esetleges alkalmazására. - Meghatároztuk 40 különböző, kis átmérőjű szén nanocső tulajdonságait. Megmutattuk, hogy a lélegző módus frekvenciája nem követi az általánosan elfogadott 1/d-s összefüggést. A görbület növelésével a frekvencia növekedése gyengül. - Első elvű számolások segítségével megmutattuk, hogy azon kettősfalú csövek Raman spektrumának inhomogén kiszélesedése, amelyekben a belső cső izotóp dúsított, az izotópok véletlenszerű eloszlásának a következménye. - Kiszámítottuk a sávszerkezetét a belsejében lineáris szénláncot tartalmazó szén nanocsőnek. Megmutattuk, hogy szokatlan ezen összetett rendszer fizikája, részben a töltésátvitel, részben a lánc-cső pályahibridizáció miatt. Az eredményeket nemzetközi konferenciákon mutattuk be, és nemzetközi folyóiratokban publikáltuk (26 cikk, kumulatív impaktfaktor 62,17 , független hivatkozások száma 190). | In accordance with the main goal of the project we performed calculations (mostly on the DFT level) to understand the vibrational and electronic properties of single walled carbon nanotubes. - We explained the properties of the disorder induced band in the Raman spectrum of SWCNT's. We pointed out the importance of Van Hove singularities. - Based on DFT calculations we established a generic charge - strain relationship for SWCNT's. This serves as the basis for using carbon nanotubes as electromechanical actuators ('artificial muscle'). - We calculated the properties of 40 different single walled carbon nanotubes with small diameter. In particular, we have shown that the frequency of the radial breathing mode does not follow the usually assumed 1/d behavior, there is a general softening with increasing curvature. - We explained, using first principles calculations, the inhomogeneous broadening of inner tube Raman modes of double walled carbon nanotubes with isotope enriched inner tubes, due to the distribution of different isotopes. - We calculated the band structure of combined systems: linear carbon chain encapsulated within SWCNT's. We have shown that unusual physics arises from the effect of charge transfer and chain-tube orbital hybridization. The results have been presented at international conferences and have been published in international journals (26 publications, impact factor 62.17, independent citation 190)

Új szén nanorendszerek elméleti vizsgálata = Theoretical Investigation of Novel Carbon Nanosystems

Bevezettünk egy lineáris/exponenciális skálázást és DFT számolásokkal meghatároztuk rövid és hosszú lineáris szénláncok Raman aktív LO frekvenciáját; DFT módszerrel tanulmányoztuk a rétegek közötti kölcsönhatást kettősfalú szén nanocsövekben. Töltésátvitelt tapasztaltunk a külső és belső csövek között, továbbá keveredést a két réteg állapotai között; Tanulmányoztuk pikocső kölcsönhatását szén nanocsővel; Tanulmányoztuk a 13C izotópdúsítás hatását szén nanocsövek lélegző módusára; Megmagyaráztuk a nagy görbületű egyfalú szén nanocsövek Raman spektrumában a D és 2D sávok kísérletileg megfigyelt anomális diszperzióját a görbület által okozott fonon puhulás és az optikai átmeneti energiáknak a vöröseltolódása segítségével; Kiszámoltuk kis átmérőjű szén nanocsövek fonon diszperzióját DFT szinten és a helikális szimmetria kihasználásával; Megmagyaráztuk kis átmérőjű szén nanocsöveken végzett in situ Raman spektroelektrokémiai vizsgálatok eredményeit CoMoCat szén nanocsövek elektronszerkezetének és teljesen szimmetrikus rezgéseinek DFT szintű számolása segítségével; Kiszámítottuk dópolt fullerén-kubán kokristályok sávszerkezetét DFT módszerrel; Kiszámoltuk bambusz hibahelyeket tartalmazó szén nanocsövek geometriáját, állapotsűrűségét és ballisztikus transzportját; Kiszámítottuk 4d és 5d átmeneti fématomok kötési energiáját egy grafén síkhoz; Elméletileg megmutattuk, hogy egy királis külső csőnek egy fix belső cső körüli forgatásával elektronok pumpálhatók a belső cső mentén. | We introduced a linear/exponential scaling scheme and calculated with DFT methods the Raman active LO frequencies for olygoynes and polyyne; We studied the intershell interaction in double walled carbon nanotubes. We observed charge transfer between the inner and outer tubes and also orbital mixing between the states of the layers; We studied the interaction of a picotube with carbon nanotubes; We studied the effect of 13C isotope enrichment on the radial breathing mode of carbon nanotubes; We explained the experimentally observed unusual Raman dispersion for D and 2D lines in high-curvature single-walled carbon nanotubes by a curvature-induced phonon softening and the red shift of the optical transition energies; We calculated the phonon dispersion of small diameter carbon nanotubes on DFT level exploiting the screw axis symmetry; We explained the results of in situ Raman spectroelectrochemical studies on small diameter carbon nanotubes by performing DFT calculations on the electronic structure and the totally symmetric vibrations of selected CoMoCat carbon nanotubes; We calculated the band structure of doped fullerene-cubane cocrystals; We calculated the geometry, DOS and ballistic transport for carbon nanotubes with bamboo defect; We studied the strength of the binding of 4d and 5d transition metal atoms on a graphene sheet; We showed theoretically that by rotating a chiral outer tube around a fixed inner tube it is possible to pump electrons along the inner tube

Preparing local strain patterns in graphene by atomic force microscope based indentation

Patterning graphene into various mesoscopic devices such as nanoribbons, quantum dots, etc. by lithographic techniques has enabled the guiding and manipulation of graphene's Dirac-type charge carriers. Graphene, with well-defined strain patterns, holds promise of similarly rich physics while avoiding the problems created by the hard to control edge configuration of lithographically prepared devices. To engineer the properties of graphene via mechanical deformation, versatile new techniques are needed to pattern strain profiles in a controlled manner. Here we present a process by which strain can be created in substrate supported graphene layers. Our atomic force microscope-based technique opens up new possibilities in tailoring the properties of graphene using mechanical strain

Szén nanocső jellegű nanoszerkezetek előállítása, módosítása és jellemzése fizikai, kémiai és szimulációs módszerekre alapozva = Production, modification and characterization by physical, chemical and computer simulation of carbon nanotube type nanostructures

Kimutattuk, hogy a nem-hatszöges (n-H) gyűrűket is tartalmazó szén nanoszerkezetek (Y-elágazás, hengerspirálok, stb.) növekedését az n-H gyűrűk beépülésének mikéntje határozza meg, új modellt javasoltunk hengerspirálok szerkezetére. Elsőként készítettünk Si3N4/szén nanocső kompozitokat és megmutattuk, hogy megfelelő szinterelési paraméterek alkalmazásával megőrizhetők az elektromosan vezetővé tett mátrix jó tulajdonságai. Új nanocső növesztési módszereket dolgoztunk ki. Elsőként bizonyítottuk, hogy az ionos besugárzás nyomán a szén nanocsöveken, valóban a szimulációknak megfelelő topográfiai alakzatok jelennek meg. Elméleti modellt adtunk a hibák környezetében azt STM felvételeken megfigyelhető szuperstruktúrák eredetére. Megmutattuk, hogy a funkcionalizálás módjától függően a funkciós csoportok szigetszerűen, vagy folytonoshelyezkednek el. A funkciós csoportok megváltoztatják a nanocsövek válaszjelét a környezetben jelenlévő gázokra/gőzökre. Sikeresen fejlesztettünk elméleti módszereket a gyengén kölcsönható nagy atomszámú rendszerek leírására és elsőkként vizsgáltuk sok szén nanocsöből felépülő kötegekben a csövek egymással való kölcsönhatását. Első elvekre illetve sűrűségfunkcionál módszerre alapozva vizsgáltuk a duplafalú szén nanocsövek, illetve a nanocsőben elhelyezkedő szénláncok tulajdonságait. A sajátfejlesztésű hullámcsomagdinamikai módszerünkkel elsőkként vizsgáltuk az elektronhullámok terjedését szén nanocső Y elágazásokban. | We showed that the growth of carbon nanostructures containing non-hexagonal (n-H) rings (Y-branches, coils etc.) is determined by the incorporation of the n-H rings, we proposed a new model for the structure of regularly coiled carbon nanotubes. We prepared the first Si3N4/carbon nanotube composites and we showed the under proper sintering conditions the composite can be made conductive while keeping the remarkable properties of the matrix. We developed new growth methods for carbon nanotubes. We showed for the first time that ion irradiation of carbon nanotubes indeed creates the features predicted by simulations. We proposed a theoretical description of the superstructures observed in STM in the vicinity of the defects. Depending on the way in which the functionalization is done, the functional groups appear on the nanotubes in an island-like or a continuous fashion. Their presence influences the response of the carbon nanotubes to the gases/vapors present in the atmosphere. We developed successfully theoretical tools for the description of weakly interacting large system and investigated for the first time the interaction of tubes in carbon nanotube bundles containing many tubes. Based on first principle and density functional calculations we investigated the double wall carbon nanotubes and linear carbon chains located inside a SWCNT. Using our own wave packet dynamical software we investigated the propagation of electronic waves in carbon nanotube Y junctions

Resonance Raman Optical Activity of Single Walled Chiral Carbon Nanotubes

Resonance (vibrational) Raman Optical Activity (ROA) spectra of six chiral single-walled carbon nanotubes (SWCNTs) are studied by theoretical means. Calculations are performed imposing line group symmetry. Polarizability tensors, computed at the pi-electron level, are differentiated with respect to DFT normal modes to generate spectral intensities. This computational protocol yields a ROA spectrum in good agreement with the only experiment on SWCNT, available at present. In addition to the conventional periodic electric dipole operator we introduce magnetic dipole and electric quadrupole operators, suitable for conventional k-space calculations. Consequences of the complex nature of the wavefunction on the scattering cross section is discussed in detail. Resonance phenomenon is accounted for by the short time approximation. Involvement of fundamental vibrations in the region of the intermediate frequency modes is found to be more notable in ROA than in Raman spectra. Calculations indicate exceptionally strong resonance enhancement of SWCNT ROA signals. Resonance ROA profile of the (6,5) tube shows an interesting sign change that may be exploited experimentally for SWCNT identification

Large intravalley scattering due to pseudo-magnetic fields in crumpled graphene

Abstract The pseudo-magnetic field generated by mechanical strain in graphene can have dramatic consequences on the behavior of electrons and holes. Here we show that pseudo-magnetic field fluctuations present in crumpled graphene can induce significant intravalley scattering of charge carriers. We detect this by measuring the confocal Raman spectra of crumpled areas, where we observe an increase of the D′/D peak intensity ratio by up to a factor of 300. We reproduce our observations by numerical calculation of the double resonant Raman spectra and interpret the results as experimental evidence of the phase shift suffered by Dirac charge carriers in the presence of a pseudo-magnetic field. This lifts the restriction on complete intravalley backscattering of Dirac fermions