First Principle Berechnungen für Kohlenstoffröhrchen

Carbon Nanotubes sind mikroskopische Röhrchen aus Kohlenstoff, die erst vor wenigen Jahren entdeckt wurden. Da Materialien aus diesen Röhrchen ein großes Anwendungspotential besitzen, ist ein genaues theoretisches Verständnis ihrer Eigenschaften von großer Bedeutung. In diesem Forschungsantrag schlagen wir vor first principle Dichtefunktional Rechnung für Nanotubes durchzuführen, Dabei soll das Vienna ab initio Paket-(VASP) zur Anwendung kommen. Dieses Programm erlaubt die Verwendung von besonders effizienten und genauen "ultrasoften" Pseudopotentialen oder den Einsatz der "projector augmented wave" Methode. Das Paket ist für die angestrebte Berechnungen besonders geeignet, da in VASP Algorithmen implementiert wurden, die es erlauben Systeme mit bis zu 400 Kohlenstoffatomen zu beschreiben. Folgende Eigenschaften von Kohlenstoffröhrchen sollen mit first principle Methoden untersucht werden: (i) Berechnung des Schwingungsspektrums von einwandigen Nanotubes. (ii) Genaue Berechnung von Infrarot- und Ramanspektren. (iii) Untersuchung mechanischer -und thermischer Eigenschaften. (iv) Wechselwirkung zwischen Nanotubes und wie diese Wechselwirkung Schwingungs- und mechanische Eigenschaften beeinflußt. (v) Funktionalisierung von Nanotubes und Eigenschaften von Defekten. Der Einfluß auf Schwingungs- und elektronische Eigenschaften soll, dabei im Vordergrund stehen, In allen Untersuchungen wird ein enge Zusammenarbeit mit experimentellen Arbeitsgruppen angestrebt.

Kohlenstoffröhrchen gehören zu einer neuen Klasse von Materialien, die durch das Aufrollen einer Lage Graphit erzeugt werden. Die äußere Wand solcher Röhrchen kann so dünn wie ein einziges Kohlenstoffatom sein, und auch der Gesamtdurchmesser des Röhrchens beträgt oft nur wenige Nanometer. Man glaubt, daß solche Röhrchen in den Computern der nächsten Generation als Leiter oder Schalter Verwendung finden könnten, und das Ziel war ein besseres theoretisches Verständnis für solche Röhrchen zu entwickeln. Durch ihre Eindimensionalität besitzen Kohlenstoffröhrchen einige besondere Eigenschaften. Ein Elektron muß zum Beispiel nach einem Umlauf um das Röhrchen wieder die selbe Phase wie am Anfang besitzen. Eine andere interessante Quanteneigenschaft bedingt, daß metallische eindimensionale Leiter bei niedriger Temperatur nicht stabil sind; sie sollten sich solange verzerren bis sie Nichtleiter werden. Dies wurde bei Kohlenstoffröhrchen aber nie beobachtet. Theoretische Berechnungen zeigen nun, daß die Instabilität zwar existiert aber so schwach ist, daß es niemals zu einer permanenten Verzerrung kommt. Stattdessen gibt es eine bestimmte Schwingungsmode, bei der es durch die Bewegung der Kohlenstoffatome zum Öffnen und Schließen einer Bandlücke kommt. Die Kohlenstoffröhrchen werden also Nichtleiter, aber nur dynamisch und sehr kurzzeitig für einige Femtosekunden. Die entsprechende Schwingungsfrequenz ist geringer als in nichtmetallischen Kohlenstoffröhrchen. Dies wurde zwar zuvor schon experimentell beobachtet, aber man verstand diesen experimentellen Befund nicht. Weiters wurden im Rahmen dieses Projekts der Einschluß von Buckminster Fullerenen in Kohlenstoffröhrchen studiert. Experimentell gibt es Hinweise, daß durch das Einbauen solcher Fullerene die Transporteigenschaften der Kohlenstoffröhrchen verändert werden können. Der theoretische Befund fiel hier etwas weniger gut aus. Zwar kann man die Bandstruktur von Kohlenstoffröhrchen etwas "verbiegen", die Effekte sind aber viel zu klein um die Transporteigenschaften maßgeblich und in dem Bereich, in dem es für elektronische Schaltkreise wichtig ist, zu tunen.