Аннотация результатов, полученных в 2022 году
(а) Деформации однослойных углеродных нанотрубок (ОУНТ) изменяют их зонную структуру. С использованием метода симметричных линейных присоединенных цилиндрических волн исследован отклик электронной структуры хиральных и нехиральных ОУНТ (8,7), (9,6), (10,5), (7,7), (11,0), (12, 0) и (13,0) на действие мод кручения и осевого растяжения и сжатия. Установлено, что возмущение зонных структур зависят от индекса «семейства» p = (n1 − n2)mod 3 (где p = −1, 0 или 1). Скручивание полупроводниковой (8,7) трубки с p = 1 в направлении винтовой оси сопровождается большим уширением минимальной щели Е11 и сужением второй щели Е22, а в трубке (10,5 ) с p = −1 резко меняются энергии обеих этих щелей. В этих ОУНТ изменение направления закручивания приводит к изменению направления возмущения энергии щели. Независимо от направления скручивания в металлических (7,7) и квазиметаллических (9,6) ОУНТ с p = 0 щель E11 быстро увеличивается от 0,0 и 0,035 эВ до примерно 1 эВ. При скручивании зигзагообразных трубочек (13,0) p = 1 и (11,0) p = −1 оптические щели E11, равные примерно 0,8 эВ, увеличиваются и уменьшаются на сотые доли эВ. Напротив, сжатие и растяжение этих трубок вызывает резкое изменение их зонной структуры с примерно двукратным изменением щелей Е11 и Е22 и инверсией порядка следования граничных зон. Аналогичная деформация нанотрубки типа кресло (7,7) практически не влияет на ее электронные уровни. В случае трубки типа зигзаг (12,0) с p = 0 все моды деформации превращают квазиметаллическую трубку в полупроводник. (б) Методом релятивистских симметризованных линейных присоединенных цилиндрических волн исследовано образование спиновых минищелей за счет деформации кручения нехиральных гексагональных и зубчатых кресельных (n, n) и зигзагообразных (n, 0) кремниевых нанотрубок (SiNT). В отсутствие механического скручивания гексагональные (n, n) SiNT имеют инверсионную симметрию и металлические зонные структуры со спиново-вырожденными состояниями в области Ферми. Деформация кручения гексагональных кресельных SiNT нарушает инверсионную симметрию, превращая их в хиральные системы с правой или левой винтовой осью. За счет совместного действия спин-орбитальной связи и низкосимметричного возмущения полностью снимается вырождение уровней и формируются полосы типа α и β. Деформация кручения работает как переключатель, противоположные направления скручивания приводят к противоположной хиральности трубок и индуцируют противоположные спиновые токи из-за эффекта Рашбы. Даже в идеальных нескрученных зубчатых SiNT инверсионная симметрия отсутствует. Такие трубки имеют полупроводниковую зонную структуру со спин-орбитальным расщеплением валентной зоны и зоны проводимости. Скручивание этих трубок вызывает увеличение антисимметричной составляющей потенциала, что приводит к монотонному увеличению спиновых щелей. (в) Моделирование спиновой селективности электропроводности хиральных платиновых нанотрубок. С целью изучения электронных и спиновых свойств одностенных платиновых нанотрубок с помощью релятивистского метода симметризованных линеаризованных присоединенных цилиндрических волн рассчитаны два ряда хиральных нанотрубок: Pt (5, n2) с 1 ≤ n2 ≤ 4 и Pt (10, n2) с 1 ≤ n2 ≤ 9 радиусами от 2.24 до 7.78 Å. Во всех трубках наблюдается характерное для соединений с полуметаллическим типом зонной структуры пересечение потолка валентной зоны и дна зоны проводимости с уровнем Ферми. Спин-орбитальная связь проявляется как расщепление нерелятивистских дисперсионных кривых, которое может превышать 0.5 эВ для зон вблизи энергий Ферми и убывает при переходе к внутренним состояниям валентной зоны и нанотрубкам большего диаметра. Значения спиновых плотностей состояний для электронов со спином вверх и вниз на уровне Ферми заметно различаются, что можно использовать для создания чисто спиновых токов через нанотрубки с помощью переменного электрического напряжения. Более всего для этого подходят нанотрубки (5, 3) и (10, 7). С помощью механического воздействия на нанотрубки можно управлять плотностями спиновых состояний на уровне Ферми. Для этого более подходят деформации кручения, сопровождающиеся увеличением и уменьшением хиральности. Одноосное сжатие или растяжение нанотрубки не приводят к изменению хиральности нанотрубки и сопровождаются только монотонным увеличением и уменьшением плотностей спиновых α и β состояний с сохранением преобладания α электронов на уровне Ферми. (г) С помощью программных пакетов Quantum Espresso и Gamess изучены электромеханические характеристики новых форм кремниевых нанотрубок – силапризманов - в присутствии одноосных деформаций. Установлено, что в зависимости от диаметра силапризманов и степени механического воздействия в силапризманах при сжатии переходит сужение оптической щели и переход из полупроводникового состояния в металлическое. При малых нагрузках растяжение приводит к линейному возрастанию ширины запрещенной зоны, а при больших возможен разрыв некоторых химических связей Si-S с резким изменением оптических свойств материалов. (д) С учетом эффектов локальных искажений геометрии трубок исследовано влияние структурных дефектов (дефект Стоуна-Уэльса, моновакансия, замещающий атом азота) и адсорбировавшихся радикалов (H, O, OH, COOH) на проводимость углеродных металлических кресельных нанотрубок субнанометровых диаметров с индексами хиральности (n, n), n = 4-6.

Аннотация результатов, полученных в 2023 году
С помощью релятивистского метода симметризованных линеаризованных присоединенных цилиндрических волн (ЛПЦВ) изучены правовинтовые и левовинтовые хиральные и нехиральные золотые Au и кремний-германиевые SiGe (n1, n2) нанотрубки. Выполненные ранее нерелятивистские расчеты электромеханических свойств углеродных нанотрубок дополнены расчетами влияния крутильной деформации на спиновые свойства (n, n) нанотрубок. Неэмпирическим методом сильной связи рассчитаны германопризманы в свободном состоянии и при наличии примесей или азотных цепочек внутри трубок. В методе ЛПЦВ использовался двухкомпонентный релятивистский гамильтониан и цилиндрическое маффин-тин приближение для электронного потенциала. В явном виде проводился учёт винтовой и вращательной симметрии трубок. Свойства симметрии нанотрубок использовались при записи базисных волновых функций и вычислении матричных элементов гамильтониана. (а) Одностенные золотые нанотрубки имеют вид цилиндрических поверхностей, покрытых правильными шестиугольниками с одним атомом Au в центре каждого шестиугольника, и различаются диаметром, ориентаций шестиугольников относительно оси трубки и хиральностью, когда один энантиомер имеет правую, а другой левую винтовую ось. Для тридцати золотых нанотрубок с различными диаметрами, ориентациями гексагональных ячеек и правовинтовой и левовинтовой структурой рассчитаны спин-зависимые зонные структуры и спиновые плотности электронных состояний. С одним атомом Au на минимальную ячейку и электронной конфигурацией атома Au 5d106s1 результаты зонной структуры представлены в простом виде с десятью заполненными спин-зависимыми дисперсионными кривыми валентной зоны, над которыми расположены две полузаполненные ветви зоны проводимости. Определены энергии спин-орбитальных расщеплений уровней для состояний валентной зоны, зоны проводимости и области уровня Ферми и преобладающие поляризации спинов для расщепленных пар полос. Спин-зависимые плотности состояний хиральных нанотрубок, с учетом зависимостей вероятностей прохождения электронов сквозь хиральные барьеры от ориентации спина электронов, использованы для предсказания спиновых токов в различных направлениях вдоль оси нанотрубок. Определены отклики электронных и спиновых свойств Au нанотрубок на торсионные и осевые деформационные моды, что актуально для управления элементами нано- электромеханики и спинтроники. Для экспериментально наблюдаемой правовинтовой Au (5, 3) нанотрубки установлено, что для положительного направления оси z плотность тока α электронов I(α) должна на порядок превосходить величину тока для β электронов I(β). Для обратного направления z < 0 во столько же раз плотность тока I(β) будет больше, чем I(α), и будет доминировать транспорт β электронов. На такой нанотрубке можно реализовать перенос электронов с разными спинами в противоположных направлениях с помощью переменного напряжения и обеспечить транспорт электронов с разными спинами в противоположных направлениях. Результаты расчетов правовинтовой нанотрубки rh (5, 3) преобразованы в зонные структуры и плотности состояний левовинтового аналога lh (5, 3). При этом установлено, что для левовинтовой золотой нанотрубки (5, 3) в положительном направлении оси z будет доминировать перенос электронов со спинами β по сравнению с α, а электроны с α спинами ‒ в противоположном направлении. Определен отклик электронных и спиновых свойств Au нанотрубок на деформационные моды. Идентифицированы золотые нанотрубки с высокой спиновой селективностью проводимости. (б) Изучен эффект Рашбы в нехиральных углеродных нанотрубках типа. Построены зонные структуры и изучены эффекты скручивания трубок вокруг оси при величинах углов Δω до 1 град/Å. Результаты расчетов представлены в схеме повторяющихся зон, когда электронные уровни нанотрубок (n, n) зависят от волнового вектора 0 ≤ k ≤ π/hz и вращательного квантового числа 0 ≤ L ≤ n – 1. Выявлены качественные различия между спиновыми свойствами исходных и деформированных трубок. В исходных высокосимметричных нанотрубках спин-орбитальное расщепление уровней в области Ферми отсутствует в силу теоремы Крамерса. Состояния на уровне Ферми соответствуют электронам, вращающимся вокруг оси трубки по часовой стрелке и против неё. Орбитальные моменты электронов ориентированы в противоположных направлениях и равны по абсолютной величине. Под действием деформации кручения формируются зоны электронов с α и β спинами, что соответствует параллельной и антипараллельной ориентациям спинового и k векторов. В трубке (7,7) при Δω = 0.05 град/Å минимальная щель Eg,αα равна 31.4 мэВ и соответствует переходу между зонами со спинами α, а большая на 1 мэВ щель Eg,ββ =32.4 мэВ ‒ переходу между зонами с β спинами. При изменении направления деформации, меняется порядок следования α и β кривых валентной зоны и зоны проводимости. Увеличение амплитуды деформации Δω в пределах 0.5 - 1 град/Å довольно слабо влияет на энергии спинового расщепления Ev,αβ и Ec,αβ краев валентной зоны и зоны проводимости, которые лежат в интервале 0.4–0.5 мэВ, а ширина минимальной щели Eg,min резко возрастает до 631 мэВ при Δω = 1 град/Å. Переход к (5, 5) трубке примерно в полтора раза меньшего радиуса сопровождается полуторакратным ростом щелей Ev,αβ и Ec,αβ и таким же уменьшением Eg,min. (в) Рассчитаны нанотрубки (n1, n2) SiGe, имеющие вид цилиндрических поверхностей, покрытых шестиугольниками Si3Ge3 со слабо гофрированной структурой, когда атомы Ge смещены внутрь цилиндрического слоя, а атомы Si наружу. В качестве конкретных соединений выбраны две нехиральные нанотрубки SiGe (7,7) и (12,0) и три хиральные (10,4), (9,6) и (11,3). Электронное строение всех соединений характеризуется оптической щелью величиной около 0.35 эВ. Спин-орбитальное взаимодействие проявляется по-разному в нанотрубках разной спиральности. В нехиральных нанотрубках минимальная энергетическая щель соответствует переходу α→β между валентной зоной и зоной проводимости. В результате перенос α-электронов, лежащих в области верха валентной зоны, должен совпадать в направлениях z > 0 и z < 0. То же самое справедливо и для β-электронов дна зоны проводимости нехиральных нанотрубок. Для хиральных нанотрубок предсказана зависимость направления потока электронов вдоль оси трубок от ориентации спинов. Например, для правовинтовой нанотрубки (9,6) при k > 0 верх валентной зоны и дно зоны проводимости образованы электронами со спином α, поэтому перенос электронов с этим спином будет доминировать для направления z > 0. Энергии спин-орбитальных щелей Ev,SO и Ec,SO краев валентной зоны и зоны проводимости заметно различаются для нехиральных и хиральных нанотрубок. В первом случае они составляют несколько десятых мэВ, а во втором ‒ несколько мэВ. Механически воздействуя на нанотрубку, можно управлять энергиями спин-орбитальных щелей. В нехиральных нанотрубках крутильная деформация на угол 1 град/Å приводит к увеличению щелей Ev,SO и Ec,SO максимально на 1 мэВ. Отклик спин-орбитальных щелей хиральных трубок зависит от знака деформации и более сильный. Максимальный отклик на крутильные деформации - уменьшение Ec,SO на 7 мэВ для трубки (10,4) при скручивании на Δω = 1 град/Å в направлении хиральности правовинтовой системы и увеличение Ev,SO от 0,33 до 14,76 мэВ при скручивании трубки (9,6) на угол Δω = –1 град/Å. Осевые деформации не изменяют хиральности нанотрубок и вызывают более слабое возмущение спиновых состояний краев зон по сравнению с эффектами крутильных деформаций. Типичные изменения энергии спиновых щелей краев зон при изменении длины нанотрубок на ±1% лежат в пределах 1 мэВ. https:/doi.org/10.31857/S0044457X2370023X https:/doi.org/10.31857/S0044457X2260181X https:/doi.org/10.31857/S0044457X23600809 https:/doi.org/10.1109/5.771073 https:/doi.org/10.35745/afm2023v03.01.0001