Изучение из первых принципов атомной и электронной структуры в гибридных системах графен-фуллерен

О.М. Холодова, Н.В. Пруцакова, Т.П. Жданова, А.А. Лаврентьев, И.В. Ершов, В.В. Илясов показать трудоустройства и электронную почту
Получена 19 мая 2020; Принята 06 июля 2020;
Цитирование: О.М. Холодова, Н.В. Пруцакова, Т.П. Жданова, А.А. Лаврентьев, И.В. Ершов, В.В. Илясов. Изучение из первых принципов атомной и электронной структуры в гибридных системах графен-фуллерен. Письма о материалах. 2020. Т.10. №4. С.365-370
BibTex   https://doi.org/10.22226/2410-3535-2020-4-365-370
В рамках теории функционала плотности были изучены новые гибридные наноструктуры, состоящие из листа графена и фрагмента фуллерена C60Проведено численное моделирование атомной и электронной структуры из первых принципов наногибридных систем графен-С60, как возможных структурных элементов графитоподобного аморфного углерода, полученного в результате воздействия концентрированными потоками ионов или фотонов лазерного излучения. Рассмотрены различные модели взаимодействия фрагментов фуллеренов С60 и целых фуллеренов с однослойным графеном. Изучены механизмы адсорбции, локальное атомное строение и энергетический спектр рассматриваемых гибридных систем в рамках метода Кона-Шэма и приближения псевдопотенциала. Показано, что в зависимости от ориентации фрагмента фуллерена, а также от дистанции сближения этого фрагмента относительно плоскости sp2‑углерода фрагмент фуллерена С60 может взаимодействовать с этой плоскостью по механизму физической адсорбции, образовывать с графеном различные метастабильные структуры, а также формировать замкнутые фуллереноподобные структуры за счет образования химических связей, которые интегрируются в графеновый лист. В работе были сделаны оценки межатомных расстояний в интерфейсах и энергии адсорбции фрагментов фуллерена на графен. Расчеты показали, что электронный спектр системы графен-фуллерен с невалентным взаимодействием в интерфейсе характеризуется наложением электронных состояний графенового листа и фрагмента фуллерена по‑отдельности, а также электронным допированием спектра этого фрагмента. В то же время было показано, что спектр интегрированных гибридных структур значительно отличается как от спектра чистого графена, так и фуллерена С60, и характеризуется электронными орбиталями, находящимися в состоянии как sp2-, так и sp3‑гибридизации. Проведено сопоставление расчетных электронных энергетических спектров систем графен-½С60 со спектрами чистого графена, системы графен-С60, а также с экспериментальными спектрами характеристических потерь энергии электронов фуллерена С60 и дифференциальной туннельной вольт-амперной характеристикой интеркалированной системы графен / С60 / Cu. Получено хорошее согласие расчетных данных с экспериментом.