Известия Саратовского университета.

Новая серия. Серия Физика

ISSN 1817-3020 (Print)
ISSN 2542-193X (Online)

Для цитирования:

Барков П. В., Слепченков М. М., Глухова О. Е. Влияние диаметра отверстия и карбонильных групп на электронные свойства тонких плёнок перфорированного графена с почти круглыми отверстиями // Известия Саратовского университета. Новая серия. Серия: Физика. 2026. Т. 26, вып. 2. С. 210-217. DOI: 10.18500/1817-3020-2026-26-2-210-217, EDN: UKFVOC

Статья опубликована на условиях лицензии Creative Commons Attribution 4.0 International (CC-BY 4.0).
Опубликована онлайн: 
30.06.2026
Полный текст в формате PDF(Ru):
скачать
(загрузок: 9)
Язык публикации: 
русский
Рубрика: 
Твердотельная электроника, микро- и наноэлектроника
Тип статьи: 
Научная статья
УДК: 
538.915
DOI: 
10.18500/1817-3020-2026-26-2-210-217
EDN: 
UKFVOC

Влияние диаметра отверстия и карбонильных групп на электронные свойства тонких плёнок перфорированного графена с почти круглыми отверстиями

Авторы: 
Барков Павел Валерьевич, Саратовский национальный исследовательский государственный университет имени Н. Г. Чернышевского
Слепченков Михаил Михайлович, Саратовский национальный исследовательский государственный университет имени Н. Г. Чернышевского
Глухова Ольга Евгеньевна, Саратовский национальный исследовательский государственный университет имени Н. Г. Чернышевского
Аннотация: 

В настоящее время перфорированный графен является одним из наиболее перспективных представителей семейства углеродных наноматериалов благодаря своим электронным, оптическим, каталитическим и сенсорным свойствам. Особый интерес для исследователей представляет выявление закономерностей управления свойствами перфорированного графена за счет модификации его атомного строения. Целью данной работы является установление закономерностей изменения электронных свойств тонких плёнок перфорированного графена с отверстиями почти круглой формы диаметром 1, 1.5 и 2 нм при наличии на поверхности перфорированного графена карбонильных групп и атомов водорода. Исследование проводилось с применением самосогласованного метода функционала электронной плотности в схеме сильной связи (SCC DFTB). Все расчеты проводились для температуры 300 К. Выполнена оценка термодинамической устойчивости плёнок перфорированного графена в ходе функционализации. Электронные свойства анализируются на основе рассчитанных энергетических зонных диаграмм. Проводится анализ трансфера заряда в системе «перфорированный графен + карбонильные группы + атомы водорода» на основе рассчитанных распределений парциальных зарядов по Малликену по атомам супер-ячеек исследуемых плёнок. Показана высокая чувствительность размера энергетической щели плёнок перфорированного графена к функционализации для диаметра отверстия 1 нм; по сравнению с чистой поверхностью плёнок перфорированного графена щель увеличилась вдвое. Таким образом, размер отверстий и функционализация краев являются двумя важными факторами, влияющими на свойства перфорированного графена. Эти результаты показывают, что перфорированный графен, функционализированный карбонильными группами, является перспективным материалом в полупроводниковых устройствах.

Ключевые слова: 
зонная структура
энергетическая щель
уровень Ферми
парциальный атомный заряд
Благодарности: 
Исследование выполнено при финансовой поддержке Российского научного фонда (проект № 25-72-00202, https://rscf.ru/project/25-72-00202/).
Список источников: 
  1. Wang D., Dou Y., Zhang X., Bi K., Panneerselvam I. R., Sun H., Jiang X., Dai R., Song K., Zhuang H., Lu Y., Wang Y., Liao Y., Ding L., Nian Q. Manufacturing and applications of multi-functional holey two-dimensional nanomaterials – A Review. Nano Today, 2024, vol. 55, art. 102162. https://doi.org/10.1016/j.nantod.2024.102162
  2. Nazarian-Samani M., Haghighat-Shishavan S., Nazarian-Samani M., Kashani-Bozorg S. F., Ramakrishna S., Kim K.-B. Perforated two-dimensional nanoarchitectures for next-generation batteries: Recent advances and extensible perspectives. Progr. Mater. Sci., 2021, vol. 116, art. 100716. https://doi.org/10.1016/j.pmatsci.2020.100716
  3. Bai J., Zhong X., Jiang S., Duan X. Graphene nanomesh. Nature Nanotechnology, 2010, vol. 5, pp. 190–194. https://doi.org/10.1038/nnano.2010.8
  4. Yang J., Ma M., Li L., Zhang Y., Huang W., Dong X. Graphene nanomesh: New versatile materials. Nanoscale, 2014, vol. 6, pp. 13301–13313. https://doi.org/10.1039/C4NR04584J
  5. Rajput N. S., Zadjali S. A., Gutierrez M., Esawi A. M. K., Teneiji M. A. Synthesis of holey graphene for advanced nanotechnological applications. RSC Adv., 2021, vol. 11, pp. 27381–27405. https://doi.org/10.1039/d1ra05157a
  6. Ma R., Zhou Y., Bi H., Yang M., Wang J., Liu Q., Huang F. Multidimensional graphene structures and beyond: Unique properties, syntheses and applications. Progr. Mater. Sci., 2020, vol. 113, art. 100665. https://doi.org/10.1016/j.pmatsci.2020.100665
  7. Lin Y., Liao Y., Chen Zh., Connell J. W. Holey graphene: A unique structural derivative of graphene. Mater. Res. Lett., 2017, vol. 5, pp. 209–234. https://doi.org/10.1080/21663831.2016.1271047
  8. Liu T., Zhang L., Cheng B., Hu X., Yu J. Holey Graphene for Electrochemical Energy Storage. Cell Reports Phys. Sci., 2020, vol. 1, art. 100215. https://doi.org/10.1016/j.xcrp.2020.100215
  9. Yang C.-H., Huang P.-L., Luo X.-F., Wang C.-H., Li C., Wu Y.-H., Chang J.-K. Holey Graphene Nanosheets with Surface Functional Groups as High-Performance Supercapacitors in Ionic-Liquid Electrolyte. Chem. Sus. Chem., 2015, vol. 8, pp. 1779–1786. https://doi.org/10.1002/cssc.201500030
  10. Sammed K. A., Pan L., Asif M., Usman M., Cong T., Amjad F., Imran M. A. Reduced holey graphene oxide film and carbon nanotubes sandwich structure as a binder-free electrode material for supercapcitor. Sci. Rep., 2020, vol. 10, art. 2315. https://doi.org/10.1038/s41598-020-58162-9
  11. Su F., Zheng S., Liu F., Zhang X., Su F., Wu Z.-S. Nitrogen-doped holey graphene nanoscrolls for high-energy and high-power supercapacitors. Chin. Chem. Lett., 2021, vol. 32, pp. 914–917. https://doi.org/10.1016/j.cclet.2020.07.025
  12. Jeong J. H., Lee G.-W., Kim Y. H., Choi Y. J., Roh K. C., Kim K.-B. A holey graphene-based hybrid supercapacitor. Chem. Eng. J., 2019, vol. 378, art. 122126. https://doi.org/10.1016/j.cej.2019.122126
  13. Liu G., Jin W., Xu N. Graphene-based membranes. Chem. Soc. Rev., 2015, vol. 44, pp. 5016–5030. https://doi.org/10.1039/C4CS00423J
  14. Kim M., Safron N. S., Han E., Arnold M. S., Gopalan P. Fabrication and Characterization of Large-Area, Semiconducting Nanoperforated Graphene Materials. Nano Lett., 2010, vol. 10, pp. 1125–1131. https://doi.org/10.1021/nl9032318
  15. Liang X., Jung Y. S., Wu S., Ismach A., Olynick D. L., Cabrini S., Bokor J. Formation of Bandgap and Subbands in Graphene Nanomeshes with Sub-10 nm Ribbon Width Fabricated via Nanoimprint Lithography. Nano Lett., 2010, vol. 10, pp. 2454–2460. https://doi.org/10.1021/nl100750v
  16. Sun Q., Dai M., Hong J., Feng S., Wang C., Yuan Z. Graphene Nanopore Fabrication and Applications. Int. J. Mol. Sci., 2025, vol. 26, art. 1709. https://doi.org/10.3390/ijms26041709
  17. Esfandiar A., Kybert N. J., Dattoli E. N., Han G. H., Lerner M. B., Akhavan O., Irajizad A., Johnson A. T. C. DNA-decorated graphene nanomesh for detection of chemical vapors. Applied Physics Letters, 2013, vol. 103, art. 183110. https://doi.org/10.1063/1.4827811
  18. Chen Z., Zhang Y., Yang Y., Shi X., Zhang L., Jia G. Hierarchical nitrogen-doped holey graphene as sensitive electrochemical sensor for methyl parathion detection. Sens. Actuators B Chem., 2021, vol. 336, art. 129721. https://doi.org/10.1002/cssc.201501169
  19. Oswald W., Wu Z. Energy gaps in graphene nanomeshes. Phys. Rev. B, 2012, vol. 85, art. 115431. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.85.115431
  20. Tang G., Zhang Z., Deng X., Fan Z., Zeng Y., Zhou J. Improved scaling rules for bandgaps in graphene nanomeshs. Carbon, 2014, vol. 76, pp. 348–356. https://doi.org/10.1016/j.carbon.2014.04.086
  21. Barkov P. V., Slepchenkov M. M., Glukhova O. E. Sensor properties of thin films of perforated graphene functionalized with COOH groups: DFTB study. Izvestiya of Saratov University. Physics, 2025, vol. 25, iss. 4, pp. 485–494 (in Russian). https://doi.org/10.18500/1817-3020-2025-25-4-485-494
  22. Barkov P. V., Slepchenkov M. M., Glukhova O. E. Influence of metric parameters on the electrical conductivity properties of thin films of perforated graphene functionalized with carboxyl groups. Technical Physics, 2025, vol. 95, iss. 5, pp. 954–960 (in Russian). https://doi.org/10.61011/JTF.2025.05.60286.464-24
  23. Elstner M., Porezag D., Jungnickel G., Elsner J., Haugk M., Frauenheim Th., Suhai S., Seifert G. Self-consistent-charge density-functional tight-binding method for simulations of complex materials properties. Phys. Rev. B, 1998, vol. 58, pp. 7260–7268. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.58.7260
  24. Aradi B., Hourahine B., Frauenheim Th. DFTB+, A sparse matrix-based implementation of the DFTB method. J. Phys. Chem. A, 2007, vol. 111, iss. 26, pp. 5678–5684. https://doi.org/10.1021/jp070186p
  25. Kohn W. Nobel Lecture: Electronic structure of matter – wave functions and density functionals. Reviews of Modern Physics, 1999, vol. 71, iss. 5, pp. 1253–1266. https://doi.org/10.1103/revmodphys.71.1253
  26. Winter A., Ekinci Y., Gölzhäuser A., Turchanin A. Freestanding carbon nanomembranes and graphene monolayers nanopatterned via EUV interference lithography. 2D Materials, 2019, vol. 6, art. 021002. https://doi.org/10.1088/2053-1583/ab0014
  27. Rabchinskii M. K., Saveliev S. D., Stolyarova D. Yu., Brzhezinskaya M., Kirilenko D. A., Baidakova M. V., Ryzhkov S. A., Shnitov V. V., Sysoev V. V., Brunkov P. N. Modulating nitrogen species via N-doping and post annealing of graphene derivatives: XPS and XAS examination. Carbon, 2021, vol. 182, pp. 593–604. https://doi.org/10.1016/j.carbon.2021.06.057
  28. Glukhova O. E., Barkov P. V. A new method for determining energetically favorable landing sites of carboxyl groups during the functionalization of graphene nanomesh. Letters on Materials, 2021, iss. 12, no. 4, pp. 392–396. https://doi.org/10.22226/2410-3535-2021-4-392-396
Поступила в редакцию: 
18.02.2026
Принята к публикации: 
07.04.2026
Опубликована: 
30.06.2026
  • 15 просмотров