Przemiana nanodiament-nanocebulki weglowe: badania metodą dyfrakcji wysokoenergetycznego promieniowania rentgenowskiego

Łukasz Hawełek 1,2Aleksander Bródka 1Veijo Honkimaki 4John C. Dore 3Satoshi Tomita 5Andrzej Burian 1

1. University of Silesia, Institute of Physics, Uniwersytecka 4, Katowice 40-007, Poland
2. Institute of Nonferrous Metals, Sowińskiego 5, Gliwice 44-100, Poland
3. University of Kent, Canterbury CT2 7NR, United Kingdom
4. Europen Synchrotron Radiation Facility (ESRF), 6, Jules Horowitz, Grenoble 38000, France
5. Graduate School of Materials Science, Nara Institute of Science and Technology, Nara 630-0192, Japan

Abstract

W niniejszej pracy przedstawione zostaną wyniki badań przemiany strukturalnej nanodiamentów o średnicy ok. 47 Å w nanocebulki węglowe w wyniku obróbki wysokotemperaturowej. W badaniach tych zastosowano metodę dyfrakcji wysokoenergetycznego promieniowania synchrotronowego oraz symulacji komputerowych dynamiki molekularnej (DM) z wykorzystaniem potencjału REBO (Reactive Bond Order Potential) [1]. W trakcie procesu transformacji (tzw. grafityzacji) struktury cebulkowe przyjmują kształt sferyczny, a ich finalna forma przybiera kształt nanocząstek wielościennych oraz sferycznych z zamkniętymi powłokami, zbliżonymi do struktur fulerenowych. Tworzenie się wydłużonych nanocząstek wielościennych może być wyjaśnione przez występowanie wyjściowych nanodiamentów w formie aglomeratów nanodiamentowych. W celu zbadania procesu grafityzacji nanodiamentów dla modelu nanodiamentu z pojedynczym diamentopodobnym rdzeniem (~5460 atomów węgla) oraz dla modelu nanodiamentu ze zbliźniaczonym rdzeniem (~13500 atomów węgla) przeprowadzone zostały symulacje DM w temperaturze pokojowej. Następnie dla tej samej liczby atomów, dla obu przypadków, wygenerowano modele atomowe dla dwóch strukturalnych stanów pośrednich w temperaturze 1673 K i 1973 K oraz dla stanu końcowego struktury posiadającej zdefektowane ikozaedryczne fulereny w temperaturze 2273 K. Dla generowanych, a następnie zoptymalizowanych modeli obliczone zostały teoretyczne natężenia i dalej zredukowane funkcje rozkładu radialnego. Poprawność zaproponowanych modeli została zweryfikowana poprzez porównanie wyników teoretycznych z doświadczalnymi zarówno w przestrzeni odwrotnej jak i rzeczywistej. Na rysunku 1 przedstawiono teoretyczny czynnik struktury dla modelu nanocebulki węglowej otrzymanej w temperaturze 2273 K w porównaniu z danymi doświadczalnymi, a na rysunku 2 porównano otrzymany model z doświadczeniem w przestrzeni rzeczywistej. Proponowane przez nas modele nanodiamentu oraz

sq.png

Rys. 1. Porównanie teoretycznego czynnika struktury z danymi doświadczalnymi dla nanocebulek węglowych otrzymanych temperaturze 2273 K. We wstawce przedstawiono przekrój przez model atomowy nanocebulki węglowej.

dr.png

Rys. 2. Porównanie teoretycznej zredukowanej funkcji rozkładu radialnego z danymi doświadczalnymi dla nanocebulek węglowych otrzymanych temperaturze 2273 K.

nanocebulek węglowych potwierdzają wcześniejsze obserwacje badanych struktur wykonane przy użyciu transmisyjnego mikroskopu elektronowego [2] oraz nowe podejście do opisu procesu grafityzacji nanocząsteczek diamentowych.

Referencje

[1] D.W. Brenner, O.A. Shenderova, J.A. Harrison, S.J. Stuart, B. Ni, S.B. Sinnott, A second-generation reactive empirical bond order (REBO) potential energy expression for hydrocarbons, J Phys: Condens Matter 14 (2002) 783-802.

[2] S. Tomita, A. Burian, J.C. Dore, D. LeBolloch, M. Fujii, S. Hayashi, Diamond nanoparticles to carbon onions transformation: X-ray diffraction studies, Carbon 40 (2002) 1469-1474.

 

Related papers
  1. Computation of powder diffraction patterns for carbon nanotubes.

Presentation: Invited oral at IX Krajowe Sympozjum Użytkowników Promieniowania Synchrotronowego, by Łukasz Hawełek
See On-line Journal of IX Krajowe Sympozjum Użytkowników Promieniowania Synchrotronowego

Submitted: 2011-07-19 16:23
Revised:   2011-09-13 17:15