Nucleation of Diamond in Carbon Onions

Thumbnail Image

URL

Journal Title

Journal ISSN

Volume Title

Helsinki University of Technology | Master's thesis
Checking the digitized thesis and permission for publishing
Instructions for the author
Location:
P1 Ark TF80

Authors

Date

1999

Department

Teknillisen fysiikan ja matematiikan osasto

Major/Subject

Fysiikka

Mcode

Tfy-3

Degree programme

Language

en

Pages

62

Series

Abstract

Hiilen sipulirakenne muodostuu erikokoisista sisäkkäistä fullereeneista. Vuonna 1996 havaittiin (Banhart ym.), että säteilytettäessä hiilisipuleita energioiltaan MeV:ien luokkaa olevilla elektroneilla tai ioneilla tapahtuu hiilisipulin ytimessä timantin muodostumista. Säteilytyksellä menetelmillä on tuotettu suuruusluokaltaan 100 nm olevia timantteja. Merkittävä havainto on, että jatketulla säteilytyksellä kyetään kasvattamaan timantteja ilman ulkoisen paineen kasvattamista. Hiilisipuli toimii nanoskooppisena painekammiona, johon ionisäteytys kuljettaa hiiliatomeita synnyttämällä törmäyskaskadeja. Tästä seuraa sekä paineen että lämpötilan kasvu ydinalueella. Näin ollen olosuhteet muuttuvat paikallisesti edulliseksi timantin muodostumiselle. Tässä työssä pyritään mallintamaan timantin muodostumista hiilisipulin ytimessä tietokonesimuloinnein. Atomien välisten vuorovaikutuksien kuvaamiseen käytetään semiempiiristä tiheysfunktionaaliteoriaan pohjautuvaa tiukkasidosmenetelmää (DFTB). Menetelmässä atomien väliset vuorovaikutuspotentiaalit on muodostettu itseiskonsistentisti elektronirakenteeltaan tiivistetyille pseudoatomeille paikallisen tiheyden approksimaation (LDA) puitteissa. Työssä suoritetut simuloinnit voidaan jakaa neljään luokkaan: pienten hiiliklustereiden (2-15 atomia) ominaisuudet vapaassa avaruudessa ja C_(60)-fullereenin sisällä, yksittäisten hiiliatomien diffuusio C_(60)-kuoren läpi, yksittäisten hiiliatomien törmäykset C_(60)-fullereeniin ja C_(300) - (eli C_(240) + C_(60)) hiilisipulin täyttö. Menetelminä käytetään energian liittogradienttiminimointia (CG), pakotettua diffuusiota sekä molekyylidynamiikkaa (MD). Simulaatioiden tuottamien rakenteiden geometrioista analysoidaan mm. sidospituuksia ja sidoskulmia sekä hybridiosuuksia, joiden avulla havaitaan, onko timantin muodostuminen alkanut. Simuloinneissa havaittiin C_(60):n stabilisoivan sisältämiään hiiliklustereita, 7-rengas ja kaksois - 5-rengas olivat vakaita C_(60):n sisällä. Tähän fullereeniin mahtui 17 hiiliatomia satunnaisiin paikkoihin ennen kuin C_(60)-kuori vaurioitui vakavasti. Atomien lisääminen yli 10:n aiheutti voimakkaan sp[3]-hybridiosuuden kasvun. C_(60)-kuoren alunperin voimakkaasti vääntyneillä sidoksilla oli taipumusta vaihtaa hybridisaationsa sp[3]:si sitoen tällöin sisällä olevan klusterin vapaita sidoksia. Mahdolliset diffuusiopolkujen C_(60)-fullerenikuoren sisälle havaittiin rajoittuneen kulkemaan kahden viereisen C_(60):n atomin välistä. Fullereenikuoren 5- ja 6-renkaiden keskuksien läpi diffuusio on epäedullista. Törmäyksiä MD-simuloitiin kaksois - 5-renkaan tai 6-renkaan sisältävään C_(60):een yksittäisillä hiiliatomeilla energia-alueella 50 - 500 eV ja aiheutunutta vauriota arvioitiin. Suoritettaessa törmäys C_(60):een C_(240) sisällä havaittiin törmäystuotteiden järjestyvän nopeasti kohti fullereenirakennetta jäähdytettäessä sipulia osuman jälkeen. Hiiliatomien virtaa sipulin ytimeen mallinnettiin täyttämällä C_(300)-rakennetta. Täytön tapahtuessa hitaasti havaittiin atomien C_(240):n sisällä järjestyvän kuorimaiseksi rakenteeksi. Intensiivisemmässä täyttämisessä havaittiin kuorirakenteen muuntuminen sp[3]-rikkaaksi tiivistymäksi. Mekanismissa pienet sp[3]-alueet kasvoivat ja perkoloivat. Lopputuloksena sipulirakenteen sisälle muodostui amorfista timanttia. Työssä havaitaan, että C_(240)-kuori on riittävän vahva toimiakseen nanoskooppisena painekammiona timantin muodostumiselle. Muodostumisprosessia kyettiin mallintamaan atomitason simuloinneilla, mikä mahdollistaa yksityiskohtaisen tiedon keräämisen tämän voimakkaassa termodynaamisessa epätasapainossa tapahtuvan prosessin dynaamisista ominaisuuksista.

Description

Supervisor

Nieminen, Risto

Thesis advisor

Kaukonen, Markus

Keywords

fullerenes, fullereenit, carbon, hiili, carbon onions, hiilisipulit, diamond, timantti, simulation, simulointi

Other note

Citation

Permanent link to this item

https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-2020120446276

Collections

[dipl] Teknillinen korkeakoulu / TKK