Theoretical investigation of inter-molecular interactions in nanostructures  Page description

Help  Print 
Back »
 

Details of project

  
Identifier
68852
Type F
Principal investigator Zólyomi, Viktor
Title in Hungarian Inter-molekuláris kölcsönhatások elméleti vizsgálata nanoszerkezetekben
Title in English Theoretical investigation of inter-molecular interactions in nanostructures
Keywords in Hungarian szén nanocsövek, fullerének, kubán, bór-nitrid nanocsövek, sűrűségfunkcionál-elmélet
Keywords in English carbon nanotubes, fullerenes, cubane, boron nitride nanotubes, density functional theory
Discipline
Physics (Council of Physical Sciences)100 %
Panel Physics 1
Department or equivalent Theoretical Solid State Physics Dept. (Research Institute for Solid State Physics and Optics Hung. Acad. Sci.)
Starting date 2007-07-01
Closing date 2010-12-31
Funding (in million HUF) 4.710
FTE (full time equivalent) 1.45
state closed project
Summary in Hungarian
A szén nanocsövek és hasonló nanoszerkezetek az anyagtudomány legérdekesebb anyagai közé tartoznak napjainkban, mind az alapkutatás, mind az alkalmazott fizika szempontjából. Számtalan lehetőség létezik ma a szén nanocsövek alkalmazására, melyek közül néhány már valóra is vált. Az alkalmazási lehetőségek hatékony megvalósításához elengedhetetlen szükség van ezen anyagok fizikai tulajdonságainak alapos elméleti ismertetére.

A jelen pályázat komplex nanoszerkezetek egy választékának elméleti vizsgálatát célozza meg, melyek közé tartoznak kétfalú szén nanocsövek, fullerén-kubán hetero-molekulakristályok, valamint szénnel töltött bór-nitrid nanocsövek. A számítások első elvi módszerekkel történnek majd, kiegészülve szemiempirikus módszerekkel ahol szükséges.

Jelen pályázat legfőbb célja pénzügyi támogatást nyerni egy kis számítógépklaszter üzembe helyezésére, mely öt 64-bites PC-ből állna és a szükséges nagy számításigényű első elvi szintű számolások elvégzését segítené elő. A klaszter üzembe helyezése rendkívül fontos a szükséges első elvi számolások elvégzéséhez, mivel a vizsgálandó rendszerek nagy szabadsági fokkal bírnak. Ezen felül a pályázat évi egy konferencián való részvételre is kér támogatást, mely egy szükséges feltétele annak hogy a folyó munka eredményeit a tudományos közösségnek be lehessen mutatni.
Summary
Carbon nanotubes and related nanostructures are among the most interesting materials in materials science today, both from the point of view of fundamental research and applied physics. Countless possibilities exist today for the application of carbon nanotubes, some of which have already been realized. The proper realization of the application possibilities of carbon nanotubes and related materials requires detailed theoretical knowledge of the phyisical properties of these structures.

The present proposal aims at the theoretical study of a selection of complex nanomaterials, including double walled carbon nanotubes, fullerene--cubane heteromolecular crystals, and carbon filled boron nitride tubes. The calculations will be performed on the first principles level and augmented with semiempirical methods where necessary.

The main aim of this proposal is to apply for financing of the installation of a small cluster comprised of five 64-bit PCs for use in the computationally highly cumbersome first principles calculations required. The installation of the cluster is extremely important in order to be able to perform the necessary first principles level calculations, since the systems to be studied have a large number of degrees of freedom. In addition, the proposal also seeks the support of conference participation for one conference per year, a necessary requirement in order to be able to present the results of the ongoing work to the scientific community.




 

Final report

  
Results in Hungarian
Megvizsgáltuk kétfalú szén nanocsövekben a falak közötti kölcsönhatást és meghatároztuk a következtében fellépő töltésátvitelt; hasonlóképpen megvizsgáltuk ferrocénnel töltött nanocsövekben a ferrocén és a nanocső kölcsönhatását. A szén nanocsövek helikális szimmetriáját kihasználva kidolgoztunk egy egyszerű eljárást a fonondiszperziók első elvi szintű kiszámítására. Megmutattuk, hogy fullerén-kubán kokristályokban a kubán jelenléte a fullerénsávok összehúzódásához vezet az elektron-sávszerkezetben, megnövelve mind a tiltott sáv szélességét, mind az állapotsűrűséget a vezetési és a vegyérték sávban. Egyfalú szén nanocsövek elektron-állapotsűrűségére végeztünk kiterjedt számolásokat. Kiszámoltuk a 4d és 5d átmeneti fémek felületi relaxációját és felületi stressz értékeit a szorosan zárt felületekre. Készítettünk egy áttekintő publikációt (könyvfejezet) az elmúlt években nanocsövekre végzett első elvi fononszámolásokról. Megvizsgáltuk a fullerén pinch módusát elektrokémiai környezetbe helyezett fullerén-nanocső borsókban. Megvizsgáltuk a kétfalú szén nanocsövekből felépíthető úgynevezett kvantum pumpákat. Kiszámoltuk, hogy a 4d és 5d átmeneti fémek a nagy lefedettségi határesetben mekkora kötési energiával kötődnek grafénre. Megmutattuk, hogy királis szén nanocsövek jobbos és balos változatainak összekapcsolódása stabil, bambusz-bütyökre emlékeztető hibahelyeket eredményez a nanocsőben, mely hibák jelenléte az elektrontranszport mérésével kimutatható.
Results in English
We studied the inter-shell interaction in double-walled carbon nanotubes and calculated the resulting charge transfer; similarly, we looked at the interaction between ferrocene and the host nanotube in ferrocene-filled carbon nanotubes. We developed a method which efficiently calculates the full phonon dispersions of single-walled carbon nanotubes on the first principles level by exploiting the helical symmetry of the nanotubes. We have shown that the presence of cubane in fullerene-cubane cocrystals leads to an increased lattice constant and thereby to an increased band gap as well as increased density of states in the valence and conduction bands. We performed extensive calculations on the electronic density of states of single-walled carbon nanotubes. We calculated the surface relaxation and surface stress of the close-packed surfaces of 4d and 5d transition metals. We wrote a review book chapter summarizing recent advances in first principles level studies of the phonons of carbon nanotubes. We examined the pinch mode of fullerenes in fullerene-nanotube peapods in an electrochemical environment. We examined the so-called quantum pumps based on double-walled carbon nanotubes. We calculated the binding energies of 4d and 5d transition metals to graphene in the limit of high coverage. We showed that left- and right-handed versions of chiral carbon nanotubes can connect by forming a bamboo-like lattice defect which can be detected through electronic transport measurements.
Full text https://www.otka-palyazat.hu/download.php?type=zarobeszamolo&projektid=68852
Decision
Yes





 

List of publications

  
J. Kürti, V. Zólyomi, J. Koltai, F. Simon, R. Pfeiffer, and H. Kuzmany: Curvature effects in the D* band of small diameter carbon nanotubes, physica status solidi (b) 244, 4261, 2007
V. Zólyomi, F. Simon, Á. Rusznyák, R. Pfeiffer, H. Peterlik, H. Kuzmany, and J. Kürti: The effects of inhomogeneous isotope distribution on the vibrational properties of isotope enriched double walled carbon nanotubes, physica status solidi (b) 244, 4257, 2007
H. Shiozawa, T. Pichler, C. Kramberger, A. Grüneis, M. Knupfer, B. Büchner, V. Zólyomi, J. Koltai, J. Kürti, D. Batchelor, and H. Kataura: Fine tuning the charge transfer in carbon nanotubes via the interconversion of encapsulated molecules, Phys. Rev. B 77, 153402, 2008
V. Zólyomi, J. Koltai, Á. Rusznyák, J. Kürti, Á. Gali, F. Simon, H. Kuzmany, Á. Szabados, P. R. Surján: Intershell interaction in double walled carbon nanotubes: Charge transfer and orbital mixing, Phys. Rev. B 77, 245403, 2008
V. Zólyomi, J. Koltai, J. Kürti, and S. Pekker: Theoretical study of the electronic structure of fullerene-cubane cocrystals, Phys. Rev. B 78, 115405, 2008
L. Kavan, O. Frank, A. A. Green, M. C. Hersam, J. Koltai, V. Zólyomi, J. Kürti, and L. Dunsch: In situ Raman spectroelectrochemistry of single-walled carbon nanotubes: Investigation of materials enriched with (6,5) tubes, J. Phys. Chem. C 112, 14179, 2008
B. Dóra, M. Gulácsi, J. Koltai, V. Zólyomi, J. Kürti, F. Simon: Electron Spin Resonance Signal of Luttinger Liquids and Single-Wall Carbon Nanotubes, Phys. Rev. Lett. 101, 106408, 2008
J. Kürti, J. Koltai, and V. Zólyomi: Theoretical study of the electronic structure and the totally symmetric vibrations of selected CoMoCat carbon nanotubes, physica status solidi (b) 245, 2141, 2008
J. Koltai, V. Zólyomi, and J. Kürti: Phonon dispersion of small diameter semiconducting chiral carbon nanotubes - a theoretical study, physica status solidi (b) 245, 2137, 2008
V. Zólyomi, J. Koltai, J. Kürti, and S. Pekker: The electronic band structure of fullerene-cubane cocrystals, physica status solidi (b) 245, 2018, 2008
F. Simon, M. Galambos, D. Quintavalle, B. Náfrádi, L. Forró, J. Koltai, V. Zólyomi, J. Kürti, N. M. Nemes, M. H. Rümmeli, H. Kuzmany, and T. Pichler: Electron spin resonance in alkali doped SWCNTs, physica status solidi (b) 245, 1975, 2008
V. Zólyomi, J. Kollár, and L. Vitos: Anomalous surface relaxation in hcp transition metals, Phys. Rev. B 78, 195414, 2008
V. Zólyomi, J. Kollár, and L. Vitos: On the surface relaxation of transition metals, Phil. Mag. 88, 2709, 2008
V. Zólyomi, J. Koltai, J. Kürti, and H. Kuzmany: Phonons of single walled carbon nanotubes, DFT Calculations on Fullerenes and Carbon Nanotubes, pp 297-332, edited by V. A. Basiuk and S. Irle, published by Research Signpost (Kerala, India, 2008), 2008
V. Zólyomi, L. Vitos, S. K. Kwon, and J. Kollár: Surface relaxation and stress for 5d transition metals, J. Phys.: Condens. Matter 21, 095007, 2009
J. Koltai, Á. Rusznyák, V. Zólyomi, J. Kürti, and I. László: Junctions of left- and right-handed chiral carbon nanotubes nanobamboo, physica status solidi (b) 246, 2671, 2009
V. Zólyomi, L. Oroszlány, and C. J. Lambert: Quantum pumps formed of double walled carbon nanotubes, physica status solidi (b) 246, 2650, 2009
J. Kürti, J. Koltai, V. Zólyomi, and S. Pekker: Two component doping of fullerene-cubane cocrystals, physica status solidi (b) 246, 2618, 2009
Á. Rusznyák, J. Koltai, V. Zólyomi, and J. Kürti: Using line group theory for the symmetry assignment of the phonons of single walled carbon nanotubes, physica status solidi (b) 246, 2614, 2009
M. Kalbac, V. Zólyomi, Á. Rusznyák, J. Koltai, J. Kürti, and L. Kavan: An Anomalous Enhancement of the A(g)(2) Mode in the Resonance Raman Spectra of C-60 Embedded in Single-Walled Carbon Nanotubes during Anodic Charging, J. Phys. Chem. C 114, 2505, 2010
V. Zólyomi, Á. Rusznyák, J. Kürti, and C. J. Lambert: First Principles Study of the Binding of 4d and 5d Transition Metals to Graphene, J. Phys. Chem. C 114, 18548, 2010
F. Simon, V. Zólyomi, R. Pfeiffer, H. Kuzmany, J. Koltai, and J. Kürti: Unusual Raman dispersion for D and 2D lines in high-curvature single-walled carbon nanotubes revealed by C-13 isotope substitution, Phys. Rev. B 81, 125434, 2010
V. Zólyomi, J. Koltai, D. Visontai, L. Oroszlány, Á. Rusznyák, I. László, and J. Kürti: Characteristics of bamboo defects in peapod-grown double-walled carbon nanotubes, Phys. Rev. B 82, 195423, 2010
L. Oroszlány, V. Zólyomi, and C. J. Lambert: Carbon nanotube Archimedes screws, ACS Nano 4, 7363, 2010



Back »