Quantitative theory of diffraction on polytypic modifications of coaxial nanotubes

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

Introduction. Research into the electronic properties of field-effect transistor prototypes and other nanotube-based elements has highlighted their potential for use in nanoelectronic devices, boosting experimental design and industrial development. However, these studies also reveal a significant sensitivity of electronic parameters to the nanotube structure, compounded by the fact that synthesis methods rarely produce strictly monophase products with the desired structural characteristics, primarily influenced by their polytypic modifications. Consequently, there is an increasing need for technology that can select conditioned nanotubes from synthesis outputs to ensure consistent production.

This study aims at enhancing a quantitative theory of diffraction applicable to the full range of shear, chiral, and radial polytypic modifications of ordered coaxial nanotubes of various chemical compositions. There were addressed several key problems, including analyzing basal, diffuse, and clear nodes of reciprocal lattices, which led to the derivation of X-ray crystallography formulas linking diffraction patterns of polytypes to their structural parameters. The performed mathematical analysis revealed distinct diffraction phenomena for shear, chiral, and radial polytypes in ordered coaxial nanotubes. The following findings were obtained: 1) Shear polytypes cause the rotation of reciprocal lattice rosettes within their planes; clear rosettes rotate uniformly while diffuse rosettes rotate at varying angles, resulting in shifts along layer lines in diffraction patterns. 2) Chiral polytypes influence both the positions of layer planes and lines, as well as angular splittings of diffuse reflections, with shifts and rotations in repeating layers affecting reflection intensities. We shall note that the chiral indices defined in this study characterize chirality even in nanotubes lacking structural hexagons. The radial polytype is indicated by specific high-frequency oscillations in intensity profiles due to intra-tube interference.

Conclusions: The proposed mathematical framework for analyzing diffraction from polytype modifications of coaxial nanotubes facilitates structural analysis and identification within synthesis products. This technology is applicable not only in the experimental design phase of nanoelectronic elements but also in the production of nanoelectronic devices using tailored nanotube materials. Furthermore, our calibration technology for coaxial nanotubes can enhance process control in related industries.

Full Text

Restricted Access

About the authors

Diana N. Valeeva

Kazan National Research Technical University named after A.N.Tupolev-KAI

Author for correspondence.
Email: valeeva.diana_kai@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-1527-6355
SPIN-code: 4387-1187

Engineer, Assistant at the Department for Nanotechnologies in Electronics. Research interests – structural analysis of nanotubes, nanoelectronics. The author of 20 scientific publications.

Russian Federation, 10, K. Marx st., Kazan, 420111

References

  1. Whittaker E. J. W. An orthorhombic variety of chrisotile. Acta Crystallographica. 1951;4(2):187–188. doi: 10.1107/S0365110X5100060X
  2. Whittaker E. J. W. The unit cell of chrysotile. Acta Crystallographica. 1952;5(1):143–144. doi: 10.1107/s0365110x52000307
  3. Whittaker E. J. W. The structure of chrysotile. Acta Crystallographica. 1953;6(8–9):747–748. doi: 10.1107/S0365110X53002118
  4. Whittaker E. J. W. The structure of chrysotile. II. Clino-Chrysotile. Acta Crystallographica. 1956;9(11):855–862. doi: 10.1107/S0365110X5600245X
  5. Whittaker E. J. W. The structure of chrysotile. III. Ortho-Chrysotile. Acta Crystallographica. 1956;9(11):862–864. doi: 10.1107/S0365110X56002461
  6. Whittaker E. J. W. The structure of chrysotile. IV. Para-Chrysotile. Acta Crystallographica. 1956;9(11):865–867. doi: 10.1107/S0365110X56002473
  7. Whittaker E. J. W. The structure of chrysotile. V. Diffuse reflections and fibre texture. Acta Crystallographica. 1957;10(3):149–156. doi: 10.1107/S0365110X57000511
  8. Whittaker E. J. W. The diffraction of X-rays by a cylindrical lattice. I. Acta Crystallographica. 1954;7(12):827–832. doi: 10.1107/S0365110X5400254X
  9. Whittaker E. J. W. The diffraction of X-rays by a cylindrical lattice. II. Acta Crystallographica. 1955;8(5):261–265. doi: 10.1107/S0365110X55000856
  10. Whittaker E. J. W. The diffraction of X-rays by a cylindrical lattice. III. Acta Crystallographica. 1955;8(5):265–271. doi: 10.1107/S0365110X55000868
  11. Whittaker E. J. W. The diffraction of X-rays by a cylindrical lattice. IV. Acta Crystallographica. 1955;8(11):726–729. doi: 10.1107/S0365110X5500220X
  12. Jagodsinski H., Kunze G. The rollend structure of chrysotile. Neues Jahrbuch für Mineralogie. Monatshefte. 1954;7:95–108, 113–130, 137–150.
  13. Kunze G. Zur Röntgenstreuung an unvollständigen zylindrischen Gittern. I, II. Acta Crystallographica. 1956;9(11):841–854. doi: 10.1107/S0365110X56002448
  14. Высоковольтная электронография в исследовании слоистых минералов / Б. Б. Звягин, З. В. Врублёвская, А. П. Жухлистов и др. М.: Наука, 1979. 224 с. Zvyagin B.B., Vrublexkaya Z.V., Zhukhlistov A.P. et al. High voltage electron diffraction in the study of layered minerals. Moscow, Nauka; 1979. 224 p. (In Russ.).
  15. Lambin Ph., Lucas A. A. Quantitative theory of diffraction by carbon nanotubes. Physical Review B. 1997;56 (7):3571. doi: 10.1103/PhysRevB.56.3571
  16. Qin L. C. Determination of the chiral indices (n,m) of carbon nanotubes by electron diffraction. Physical Chemistry Chemical Physics. 2007;9(1):31–48. doi: 10.1039/B614121H
  17. Lucas A. A., Bruyninckx V., Lambin Ph. et al. Electron diffraction by carbon nanotubes. Scanning Microscopy. 1998;12(3):415–436.
  18. Reznik D., Olk C. H., Neumann D. A., Copley R. D. X-ray powder diffraction from carbon nanotubes and nanoparticles. Physical Review B. 1995;52(2):116–124. doi: 10.1103/PhysRevB.52.116
  19. Deniz H., Qin L.-C. Determination of the chiral indices of tungsten disulfide (WS2) nanotubes by electron diffraction. Chemical Physics Letters. 2012;552(12):92–96. doi: 10.1016/j.cplett.2012.09.041
  20. Amelinckx S., Lucas A., Lambin P. Electron diffraction and microscopy of carbon nanotubes. Reports on Progress in Physics. 1999;62(11):1471–1524. doi: 10.1088/0034-4885/62/11/201
  21. Iijima S. Helical microtubules of graphitic carbon. Nature. 1991;354:56–58. doi: 10.1038/354056a0
  22. Галимов Э. Р., Халитов З. Я. Моделирование дифракции на нанотрубках. Казань: Изд-во Казанского технического университета им. А.Н. Туполева, 2007. 146 с. Galimov E.R., Khalitov Z.Ya. Modeling of diffraction on nanotubes. Kazan, Kazan National Research Technical University named after A. N. Tupolev – KAI; 2007. 146 p. (In Russ.).
  23. Figovsky O., Pashin D. M., Khalitov Z. Y., Valeeva D. N. The structure and Diffraction by Chiral Nanotubes of Arbitrary Composition. Chemistry & Chemical Technology. 2012;6(2):167–177. doi: 10.23939/chcht06.02.167
  24. Radovsky G., Popovitz-Biro R., Staiger M. et al. Synthesis of Copious Amounts of SnS2 and SnS2/SnS Nanotubes with Ordered Superstructures. Angewandte Chemie International Edition. 2011;50(51):12316-12320. doi: 10.1002/anie.201104520
  25. Валеева Д. Н., Халитов З. Я., Файзуллин Р. Р. Политипные модификации упорядоченной коаксиальной нанотрубки // Вестник Поволжского государственного технологического университета. Сер.: Радиотехнические и инфокоммуникационные системы. 2022. № 2 (54). С. 80–90. doi: 10.25686/2306-2819.2022.2.80; EDN: KHEOTA Valeeva D. N., Khalitov Z. Ya., Faizullin R. R. Polytype Modifications of an Ordered Coaxial Nanotube. Vestnik of Volga State University of Technology. Ser.: Radio Engineering and Infocommunication Systems. 2022;(2(54)):80–90. doi: 10.25686/2306-2819.2022.2.80 (In Russ.).
  26. Khalitov Z., Khadiev A., Valeeva D., Pashin D. Structure of ordered coaxial and scroll nanotubes: general approach. Acta Crystallographica Section A: Foundations and Advances. 2016;72(1):36–49. doi: 10.1107/S2053273315019440
  27. Khalitov Z., Khadiev A., Valeeva D., Pashin D. Quantitative theory of diffraction by ordered coaxial nanotubes: reciprocal-lattice and diffraction pattern indexing. Acta Crystallographica Section A: Foundations and Advances. 2016;72(6):684–695. doi: 10.1107/S2053273316012006
  28. Khadiev A., Khalitov Z. Quantitative theory of diffraction by cylindrical scroll nanotubes. Acta Crystallographica Section A: Foundations and Advances. 2018;74(3):233–244. doi: 10.1107/S2053273318003169
  29. Методы электронной микроскопии минералов / Г. С. Грицаенко, Б. Б. Звягин, Р. Б. Боярская и др. М.: Наука, 1969. 311с. Gritsaenko G.S., Zvyagin B.B., Boyarskaya R.B. et al. Methods of electron microscopy of minerals. Moscow, Nauka; 1969. 311 p. (In Russ.).

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
2. Fig. 1. a – Orientation (angle εc) of the layer projection relative to the tube axis (z-axis) for a flat analog of a nanotube; b – cylindrical layer  of a nanotube

Download (97KB)
3. Fig. 2. Basal reflection profile of a coaxial carbon nanotube

Download (6KB)
4. Fig. 3. Modeling of 13l и reflections and diffraction pattern of a single-layer nanotube polytype with inner layer chirality indices (27,4) at φ* = 5ºº

Download (81KB)
5. Fig. 4. Rosettes of 01l helix nodes for an orthogonal polytype (a, T = 1) and a two-layer orthogonal  polytype (b, T = 2) of achiral coaxial nanotubes with p = 5 (x* = Rsinφ*, y* = Rsinφ*)

Download (315KB)

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».