Для цитирования:
Слепченков М. М., Барков П. В., Глухова О. Е. Особенности атомного строения и электронных свойств гибридных пленок, образованных одностенными углеродными нанотрубками и бислойным графеном // Известия Саратовского университета. Новая серия. Серия: Физика. 2021. Т. 21, вып. 4. С. 302-314. DOI: 10.18500/1817-3020-2021-21-4-302-314, EDN: CVXCQW
Особенности атомного строения и электронных свойств гибридных пленок, образованных одностенными углеродными нанотрубками и бислойным графеном
Сочетание углеродных нанотрубок и графена открывает широкие возможности для получения наноматериалов с настраиваемыми свойствами и их применения в разработке элементной базы наноэлектронных устройств. Для управления свойствами гибридных структур, образованных графеном и нанотрубками, важно понимать закономерности протекания в них физических процессов на атомарном уровне. Эффективным инструментом решения этой задачи являются методы компьютерного моделирования. В данной работе в рамках теории функционала плотности в приближении сильной связи проводится исследование электронных свойств гибридных пленок, образованных бислойным графеном и горизонтально ориентированными одностенными углеродными нанотрубками. На основе нанотрубок с индексами хиральности (5,5), (6,0), (12,6) и (16,0) построены энергетически устойчивые суперъячейки четырех атомных конфигураций гибридных пленок графен-нанотрубки. Для построенных суперъячеек проведен анализ зонной структуры и распределения плотности электронных состояний. Выявлено, что конфигурации графен-(5,5) и графен-(16,0) обладают металлическим типом проводимости, в то время как конфигурации графен-(6,0) и графен-(12,6) характеризуются наличием энергетической щели между валентной зоной и зоной проводимости. Установлено, что при формировании профиля распределения плотности электронных состояний гибридных пленок графен-нанотрубки определяющую роль играют нанотрубки. Ключевым фактором в определении типа проводимости пленок является взаимная ориентация нанотрубок и графена в составе суперъячейки. Таким образом, варьируя хиральностью нанотрубок и способом их расположения относительно графена, можно управлять электронными свойствами гибридных пленок графен-нанотрубки.
- Du W., Ahmed Z., Wang Q., Yu C., Feng Z., Li G., Zhang M., Zhou C., Senegor R., Yang C. Y. Structures, properties, and applications of CNT-graphene heterostructures // 2D Materials. 2019. Vol. 6, iss. 4. P. 042005. https://doi.org/10.1088/2053-1583/ab41d3
- Gbaguidi A., Namilae S., Kim D. Synergy effect in hybrid nanocomposites based on carbon nanotubes and graphene nanoplatelets // Nanotechnology. 2020. Vol. 31, iss. 25. P. 255704. https://doi.org/10.1088/1361-6528/ab7fcc
- Xia K., Zhan H., Gu Y. Graphene and Carbon Nanotube Hybrid Structure: A Review // Procedia IUTAM. 2017. Vol. 21. P. 94–101. https://doi.org/10.1016/j.piutam.2017.03.042
- Zhang J., Chen Z., Xu X., Liao W., Yan L. A simple and efficient approach to fabricate graphene/CNT hybrid transparent conductive films // RSC Advances. 2017. Vol. 7, iss. 83. P. 52555–52560. https://doi.org/10.1039/C7RA09809J
- Nguyen D. D., Tiwari R. N., Matsuoka Y., Hashimoto G., Rokuta E., Chen Y. Z., Chueh Y. L., Yoshimura M. Low Vacuum Annealing of Cellulose Acetate on Nickel Towards Transparent Conductive CNT−Graphene Hybrid Films // ACS Applied Materials & Interfaces. 2014. Vol. 6, iss. 12. P. 9071−9077. https://doi.org/10.1021/am5003469
- Wang R., Hong T., Xu Y.-Q. Ultrathin single-walled carbon nanotube network framed graphene hybrids // ACS Applied Materials & Interfaces. 2015. Vol. 7, iss. 9. P. 5233–5238. https://doi.org/10.1021/am5082843
- Ghosh R., Maruyama T., Kondo H., Kimoto K., Nagai T., Iijima S. Synthesis of single-walled carbon nanotubes on graphene layers // Chemical Communications. 2015. Vol. 51, iss. 43. P. 8974–8977. https://doi.org/10.1039/C5CC02208H
- Chuc N. V., Thanh C. T., Tu N. V., Phuong V. T. Q., Thang P. V., Tam N. T. T. A simple approach to the fabrication of graphene-carbon nanotube hybrid films on copper substrate by chemical vapor deposition // Journal of Materials Science & Technology. 2015. Vol. 31, iss. 5. P. 479–483. https://doi.org/10.1016/j.jmst.2014.11.027
- Kuang J., Dai Z., Liu L., Yang Z., Jinc M., Zhang Z. Synergistic effects from graphene and carbon nanotubes endow ordered hierarchical structure foams with a combination of compressibility, super-elasticity and stability and potential application as pressure sensors // Nanoscale. 2015. Vol. 7, iss. 20. P. 9252–9260. https://doi.org/10.1039/C5NR00841G
- Zhu Y., Li L., Zhang C., Casillas G., Sun Z., Yan Z., Ruan G., Peng Z., Raji A. R. O., Kittrell C., Hauge R. H., Tour J. M. A seamless three-dimensional carbon nanotube graphene hybrid material // Nature Communications. 2012. Vol. 3. P. 1225. https://doi.org/10.1038/ncomms2234
- Sun D., Liu C., Ren W., Cheng H. A Review of Carbon Nanotube- and Graphene-Based Flexible Thin-Film Transistors // Small. 2013. Vol. 9, iss. 8. P. 1188–1205. https://doi.org/10.1002/smll.201203154
- Shi E., Li H., Yang L., Hou J., Li Y., Li L., Cao A., Fang Y. Carbon nanotube network embroidered graphene films for monolithic all-carbon electronics // Advanced Materials. 2015. Vol. 27, iss. 4. P. 682–688. https://doi.org/10.1002/adma.201403722
- Dang V. T., Nguyen D. D., Cao T. T., Le P. H., Tran D. L., Phan N. M., Nguyen V. C. Recent trends in preparation and application of carbon nanotube–graphene hybrid thin films // Advances in Natural Sciences: Nanoscience and Nanotechnology. 2016. Vol. 7, iss. 3. P. 033002. https://doi.org/10.1088/2043-6262/7/3/033002
- Zhang C., Liu T. X. A review on hybridization modification of graphene and its polymer nanocomposites // Chinese Science Bulletin. 2012. Vol. 57, iss. 23. P. 3010–3021. https://doi.org/10.1007/s11434-012-5321-x
- Lv R., Cruz-Silva E., Terrones M. Building Complex Hybrid Carbon Architectures by Covalent Interconnections: Graphene-Nanotube Hybrids and More // ACS Nano. 2014. Vol. 8, iss. 5. P. 4061–4069. https://doi.org/10.1021/nn502426c
- Kim S. H., Song W., Jung M. W., Kang M. A., Kim K., Chang S. J., Lee S. S., Lim J., Hwang J., Myung S., An K. S. Carbon Nanotube and Graphene Hybrid Thin Film for Transparent Electrodes and Field Effect Transistors // Advanced Materials. 2014. Vol. 26, iss. 25. P. 4247–4252. https://doi.org/10.1002/adma.201400463
- Kholmanov I. N., Magnuson C. W., Piner R., Kim J. Y., Aliev A. E., Tan C., Kim T. Y., Zakhidov A. A., Sberveglieri G., Baughman R. H., Ruoff R. S. Optical, electrical, and electromechanical properties of hybrid graphene/ carbon nanotube films // Advanced Materials. 2015. Vol. 27, iss. 19. P. 3053–3059. https://doi.org/10.1002/adma.201500785
- Li L., Li H., Guo Y., Yang L., Fang Y. Direct synthesis of graphene/carbon nanotube hybrid films from multiwalled carbon nanotubes on copper // Carbon. 2017. Vol. 118. P. 675–679. https://doi.org/10.1016/j.carbon.2017.03.078
- Zhou W., Bai X., Wang E., Xie S. Synthesis, Structure, and Properties of Single-Walled Carbon Nanotubes // Advanced Materials. 2009. Vol. 21, iss. 45. P. 4565–4583. https://doi.org/10.1002/adma.200901071
- Gan X., Lv R., Bai J., Zhang Z., Wei J., Huang Z. H., Zhu H., Kang F., Terrones M. Efficient photovoltaic conversion of graphene–carbon nanotube hybrid films grown from solid precursors // 2D Materials. 2015. Vol. 2, iss. 3. P. 034003. https://doi.org/10.1088/2053-1583/2/3/034003
- Yan Z., Peng Z., Casillas G., Lin J., Xiang C., Zhou H., Yang Y., Ruan G., Raji A. R. O., Samuel E. L. G., Hauge R. H., Yacaman M. J., Tour J. M. Rebar graphene // ACS Nano. 2014. Vol. 8, iss. 5. P. 5061–5068. https://doi. org/10.1021/nn501132n
- Li X. L., Sha J. W., Lee S. K., Li Y. L., Ji Y. S., Zhao Y. J., Tour J. M. Rivet graphene // ACS Nano. 2016. Vol. 10, iss. 8. P. 7307–7313. https://doi.org/10.1021/acsnano.6b03080
- Lin X., Liu P., Wei Y., Li Q., Wang J., Wu Y., Feng C., Zhang L., Fan S., Jiang K. Development of an ultrathin film comprised of a graphene membrane and carbon nanotube vein support // Nature Communications. 2013. Vol. 4. P. 2920. https://doi.org/10.1038/ncomms3920
- Liu Y., Wang F., Wang X., Wang X., Flahaut E., Liu X., Li Y., Wang X., Xu Y., Shi Y., Zhang R. Planar carbon nanotube–graphene hybrid films for high-performance broadband photodetectors // Nature Communications. 2015. Vol. 6. P. 8589. https://doi.org/10.1038/ncomms9589
- Kumar P., Woon K. L., Wong W. S., Saheed M. S. M., Burhanudin Z. A. Hybrid film of single-layer graphene and carbon nanotube as transparent conductive electrode for organic light emitting diode // Synthetic Metals. 2019. Vol. 257. P. 116186. https://doi.org/10.1016/j.synthmet.2019.116186
- Kim H., Kim J., Jeong H. S., Kim H., Lee H., Ha J. M., Choi S. M., Kim T. H., Nah Y. C., Shin T. J., Bang J., Satija S. K., Koo J. Spontaneous hybrids of graphene and carbon nanotube arrays at the liquid-gas interface for Liion battery anodes // Chemical Communications. 2018. Vol. 54, iss. 41. P. 5229–5232. https://doi.org/10.1039/C8CC02148A
- Cai B., Yin H., Huo T., Ma J., Di Z., Li M., Hu N., Yang Z., Zhang Y., Su Y. Semiconducting single-walled carbon nanotube/graphene van der Waals junctions for highly sensitive all-carbon hybrid humidity sensors // Journal of Materials Chemistry C. 2020. Vol. 8, iss. 10. P. 3386–3394. https://doi.org/10.1039/C9TC06586E
- Hong X., Shi W., Zheng H., Liang D. Effective carbon nanotubes/graphene hybrid films for electron field emission application // Vacuum. 2019. Vol. 169. P. 108917. https://doi.org/10.1016/j.vacuum.2019.108917
- Liu Y., Liu Y., Qin S., Xu Y., Zhang R., Wang F. Graphenecarbon nanotube hybrid films for high-performance flexible photodetectors // Nano Research. 2017. Vol. 10, iss. 6. P. 1880–1887. https://doi.org/10.1007/s12274-016-1370-9
- Wang Z., Li J., Yuan K. Molecular dynamics simulation of thermal boundary conductance between horizontally aligned carbon nanotube and graphene // International Journal of Thermal Sciences. 2018. Vol. 132. P. 589–596. https://doi.org/10.1016/j.ijthermalsci.2018.07.004
- Lepak-Kuc S., Milowska K. Z., Boncel S., Szybowicz M., Dychalska A., Jozwik I., Koziol K. K., Jakubowska M., Lekawa-Raus A. Highly Conductive Doped Hybrid Carbon Nanotube–Graphene Wires // ACS Applied Materials & Interfaces. 2019. Vol. 11, iss. 36. P. 33207–33220. https://doi.org/10.1021/acsami.9b08198
- Srivastava J., Gaur A. Tight-binding investigation of the structural and vibrational properties of graphene–single wall carbon nanotube junctions // Nanoscale Advances. 2021. Vol. 3, iss. 7. P. 2030–2038. https://doi.org/10.1039/D0NA00881H
- Elstner M., Seifert G. Density functional tight binding // Philosophical Transactions of the Royal Society A. 2014. Vol. 372. P. 20120483. https://doi.org/10.1098/rsta.2012.0483
- Hourahine B., Aradi B., Blum V., Bonafé F., Buccheri A., Camacho C., Cevallos C., Deshaye M.Y., Dumitrică T., Dominguez A., Ehlert S., Elstner M., van der Heide T., Hermann J., Irle S., Kranz J. J., Köhler C., Kowalczyk T., Kubař T., Lee I. S., Lutsker V., Maurer R. J., Min S. K., Mitchell I., Negre C., Niehaus T. A., Niklasson A. M. N., Page A. J., Pecchia A., Penazzi G., Persson M. P., Řezáč J., Sánchez C.G., Sternberg M., Stöhr M., Stuckenberg F., Tkatchenko A., Yu V. W., Frauenheim T. DFTB+, a software package for effi cient approximate density functional theory based atomistic simulations // Journal of Chemical Physics. 2020. Vol. 152, iss. 12. P. 124101. https://doi.org/10.1063/1.5143190
- DFTB+ Density Functional Based Tight Binding (and more). URL: https://dftbplus.org/ (дата обращения: 12.05.2020).
- Zobelli A., Ivanovskaya V., Wagner P., Suarez-Martinez I., Yaya A., Ewels C. A comparative study of density functional and density functional tight binding calculations of defects in graphene // Physica Status Solidi B. 2012. Vol. 249, iss. 2. P. 276–282. https://doi.org/10.1002/pssb.201100630
- Zhang S., Kang L., Wang X., Tong L., Yang L., Wang Z., Qi K., Deng S., Li Q., Bai X., Ding F., Zhang J. Arrays of horizontal carbon nanotubes of controlled chirality grown using designed catalysts // Nature. 2017. Vol. 543. P. 234–238. https://doi.org/10.1038/nature21051
- Yang F., Wang X., Zhang D., Qi K., Yang J., Xu Z., Li M., Zhao X., Bai X., Li Y. Growing Zigzag (16,0) Carbon Nanotubes with Structure-Defined Catalysts // Journal of the American Chemical Society. 2015. Vol. 137, iss. 27. P. 8688–8691. https://doi.org/10.1021/jacs.5b04403
- Correa J. D., Florez E., Mora-Ramos M. E. Ab initio study of hydrogen chemisorption in nitrogen-doped carbon nanotubes // Physical Chemistry Chemical Physics. 2016. Vol. 18, iss. 36. P. 25663–25670. https://doi.org/10.1039/C6CP04531F
- Sahu R. K., Mukherjee V., Dash T., Padhan S. K., Nayak B. B. Vibrational and electronic properties of (5,0) zigzag and (5,5) armchair carbon and SiC nanotubes using density functional theory // Physica B: Condensed Matter. 2021. Vol. 615. P. 413074. https://doi.org/10.1016/j.physb.2021.413074
- Symalla F., Shallcross S., Beljakov I., Fink K., Wenzel W., Meded V. Band-gap engineering with a twist: Formation of intercalant superlattices in twisted graphene bilayers // Physical Review B. 2015. Vol. 91, iss. 20. P. 205412. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.91.205412
- 1155 просмотров