Термодинамика квазиодномерных депозитов на углеродных наносвязках

Abstract

В рамках модели решеточного газа с использованием формализма функций Грина теоретически изучена низкотемпературная термодинамика гелия, адсорбированного во внешние канавки углеродных наносвязок. Предложенная модель описывает как формирование одномерного (1D) конденсата на дне канавок, так и образование двух вторичных цепочек в канавке (трехцепочечная структура) и, таким образом, оказывается адекватной для интерпретации поведения адсорбата в достаточно широкой области покрытий на начальной стадии осаждения. Получены температурные зависимости плотности депозита в первичной и вторичных цепочках. Энергия, теплоемкость и теплота адсорбции системы найдены как функции температуры, а также полной плотности одномерного адсорбата при различных значениях энергии связи с подложкой атомов, осажденных в первичные и вторичные позиции. Рассчитаны изотермы адсорбции (полная плотность адсорбата как функция внешнего давления) для различных температур. Представлены экспериментально измеренные изотермы адсорбции ⁴He, осажденного на связках одностеночных углеродных нанотрубок. Измерения проведены в области температур 2–15 К. Эти эксперименты, а также известные из литературы данные по изотермам адсорбции метана интерпретированы с использованием развитой в работе теоретической модели.

У межах моделі граткового газу з використанням формалізму функцій Гріна теоретично вивчена низькотемпературна термодинаміка гелію, адсорбованого у зовнішні канавки вуглецевих нанозв’язок. Запропонована модель описує як формування одновимірного (1D) конденсату на дні канавок, так і утворення двох вторинних ланцюжків у канавці (триланцюжкова структура) і, таким чином, виявляється адекватною для інтерпретації поведінки адсорбату у достатньо широкій області покрить на початковій стадії осадження. Одержано температурні залежності густини депозиту у первинному та вторинних ланцюжках. Енергія, теплоємність і теплота адсорбції системи знайдено як функції температури, а також повної густини одновим ірного адсорбату при різних значеннях енергії зв’язку з підкладкою атомів, осаджених у первинні та вторинні позиції. Розраховано ізотерми адсорбції (повна густина адсорбату як функція зовнішнього тиску) для різних температур. Представлено експериментально виміряні ізотерми адсорбції ⁴He, осадженого на зв’язках одностінних вуглецевих нанотрубок. Вимірювання виконано в області температур 2–15 К. Ці експерименти, а також відомі з літератури дані по ізотермах адсорбції метану інтерпретовано з використанням розробленої у роботі теоретично ї моделі.

The low-temperature thermodynamics of helium adsorbed in external grooves on carbon nanotube bundles has been investigated theoretically. The basis of the theory is the lattice gas model treated within the method of Green functions. The proposed model describes properly not only the formation of one-dimensional (1D) condensate at the bottom of the groove but also the promotion of two secondary 1D chains (three-chain structure) and thus is adequate to study rather wide range of coverages at an initial stage of deposition. Temperature dependences of the deposit density in primary and secondary chains have been obtained. The energy, heat capacity and adsorption heat have been found as functions of both temperature and the total density of low-dimensional adsorbate for various magnitudes of binding energies in primary and secondary positions. The adsorption isotherms (adsorbate total density versus pressure) have been calculated for different temperatures. Experimentally measured set of adsorption isoterms of ⁴He deposited on single-wall carbon nanotube bundles have been presented. The measurements were performed in the temperature range 2–15 K. These experiments as well as known from literature data on methane adsorption isoterms are interpreted on the basis of proposed theoretical model.