Электронная структура золотых нанотрубок хиральности (5,0) в модели Хаббарда

Актуальность и цели. Экспериментальному и теоретическому изучению нанотрубок из атомов золота в настоящее время уделяется большое внимание в связи с большим потенциалом их применения в различных сферах: материаловедении, катализе, в современной электронике, противоопухолевой медицине. Целью настоящей работы является сравнительное изучение электронных структур открытых и закрытых золотых нанотрубок (5,0), состоящих из конечного числа атомов Au (от 45 до 257) по мере возрастания длины золотой нанотрубки. Материалы и методы. Для описания золотой структуры золотых нанотрубок в рамках гамильтониана Хаббарда предложена модель, в которой атомы Au представлены в виде иона Au$^{+}$, вокруг которого движется d-электрон, ответственный в нанотрубках за транспортные свойства. В нанотрубках d-электроны могут перескакивать от одного атома к соседнему атому, поскольку волновые функции соседних атомов перекрываются. Если в результате перескока электрона на одном узле окажутся два d-электрона, необходимо учесть энергии их кулоновского взаимодействия. Система d-электронов в нанотрубках из атомов Au является сильно коррелированной системой. Результаты. Вычислены фурье-образы гриновской антикоммутаторной функции, полюса которых определяют спектр элементарных возбуждений рассматриваемых наноструктур из атомов Au. Определена плотность электронного состояния исследуемых квантовых систем, получено уравнение на химпотенциал для каждой изучаемой наноструктуры. Проведено сравнение электронных структур открытых и закрытых золотых нанотрубок, показано изменение электронных структур нанотрубок из атомов золота при увеличении количества атомов в нанотрубке. Выводы. Из исследований можно сделать вывод о том, что при увеличении длины нанотрубки ширина зоны запрещенных энергий уменьшается. Как открытые, так и закрытые нанотрубки из атомов металла Au, изучаемые в работе, обладают полупроводниковыми свойствами. Добавление двух атомов (узлов), закрывающих нанотрубку, ведет не только к появлению дополнительного уровня энергии, но и к перестройке всего спектра. По мере увеличения размера нанотрубки влияние «шапок» как на перестройку энергетического спектра, так и на плотность состояния электронов постепенно уменьшается. Ширина зоны запрещенных энергий по мере роста нанотрубки постепенно уменьшается и стремится к нулю, когда число атомов в нанотрубке становится порядка 250. По ходу графиков зависимостей мы прогнозируем, что при росте золотых нанотрубок (5,0) имеет место лишь переход полупроводник-металл без явления перехода при увеличении длины нанотрубки обратно в полупроводниковое состояние, как это следует из работы X. P. Yang и J. M. Dong (2005).