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

Аннотация

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.

Ссылки (22)

1. P. Pisarik, J. Miksovsky, J. Remsa, J. Zemek, Z. Tolde, M. Jelinek. Appl. Phys. A. 124, 85 (2018). Crossref
2. L. A. Chernozatonskiy, P. B. Sorokin, A. A. Artyukh. Russian Chemical Reviews. 83 (3), 251 (2014). (in Russian) [Л. А. Чернозатонский, П. Б. Сорокин, А. А. Артюх. Успехи химии. 83 (3), 251 (2014).]. Crossref
3. X. Lu, M. Yu, H. Huang, R. S. Ruoff. Nanotechnology. 10, 269 (1999). Crossref
4. A. Sebastian, A. Pauza, C. Rossel, R. M. Shelby, A. F. Rodriguez, H. Pozidis, E. Eleftheriou. New J. Phys. 13, 013020 (2011). Crossref
5. A. M. Popov, A. A. Grishanin, N. G. Nikishin, G. N. Shumkin. Numerical methods and programming. 15 (2), 201 (2014). (in Russian) [А. М. Попов, А. А. Гришанин, Н. Г. Никишин, Г. Н. Шумкин. Вычислительные методы и программирование. 15 (2), 201 (2014).].
6. J. Robertson. Materials Science and Engineering: Reports. 37, 129 (2002). Crossref
7. E. A. Belenkov. Inorganic Materials. 37 (9), 928 (2001). Crossref
8. P. A. Borisova, M. S. Blanter, V. V. Brazhkin, V. A. Somenkov, V. P. Filonenko. J. Phys. Chem. Solids. 83, 104 (2015). Crossref
9. E. Monazami, L. Bignardi, P. Rudolf, P. Reinke. Nano Lett. 15 (11), 7421 (2015). Crossref
10. W. Koh, H. S. Moon, S. G. Lee, J. I. Choi, S. S. Jang. ChemPhysChem. 16 (4), 789 (2015). Crossref
11. M. Chen, R. Guan, S. Yang. Adv. Sci. 6 (1), 1800941 (2019). Crossref
12. C. L. Marquardt, R. T. Williams, D. J. Nagel. MRS Proceedings. 38, 325 (1984). Crossref
13. A. Sikora, F. Garrelie, C. Donnet, A. S. Loir, J. Fontaine, J. C. Sanchez-Lopez, T. C. Rojas. Journal of Applied Physics. 108 (11), 113516 (2010). Crossref
14. P. Giannozzi et al. J. Phys.: Condens. Matter. 29 (46), 465901 (2017). Crossref
15. J. Perdew, K. Burke, M. Ernzerhof. Phys. Rev. Lett. 77, 3865 (1996). Crossref
16. S. Grimme, J. Antony, S. Ehrlich, H. Krieget. J. Chem. Phys. 132 (15), 154104 (2010). Crossref
17. X. Wu, X. C. Zheng. Nano Lett. 9 (1), 250 (2009). Crossref
18. V. V. Ilyasov, I. V. Ershov, I. G. Popova, K. D. Pham, Ch. V. Nguyen. Superlattices and Microstructures. 117, 72 (2018). Crossref
19. S. M. Lee, R. J. Nicholls, D. Nguyen-Manh, D. G. Pettifor, G. A. D. Briggs, S. Lazar, D. A. Pankhurst, D. J. H. Cockayne. Chemical Physics Letters. 404, 206 (2005). Crossref
20. T. Sohier, M. Calandra, F. Mauri. Phys. Rev. B. 96, 075448 (2017). Crossref
21. D. Vanderbilt. Phys. Rev. B. 41, 7892 (1990). Crossref
22. H. Monkhorst, J. Pack. Phys. Rev. B. 13, 5188 (1976). Crossref

Другие статьи на эту тему