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 функциональных групп на электронно-энергетические характеристики тонких пленок дырчатого графена: результаты DFTB-моделирования // Известия Саратовского университета. Новая серия. Серия: Физика. 2024. Т. 24, вып. 2. С. 114-125. DOI: 10.18500/1817-3020-2024-24-2-114-125, EDN: LKRPBA

Статья опубликована на условиях лицензии Creative Commons Attribution 4.0 International (CC-BY 4.0).
Опубликована онлайн: 
28.06.2024
Полный текст в формате PDF(Ru):
скачать
(загрузок: 128)
Язык публикации: 
русский
Рубрика: 
Твердотельная электроника, микро- и наноэлектроника
Тип статьи: 
Научная статья
УДК: 
538.915
DOI: 
10.18500/1817-3020-2024-24-2-114-125
EDN: 
LKRPBA

Влияние функциональных групп на электронно-энергетические характеристики тонких пленок дырчатого графена: результаты DFTB-моделирования

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: 

Перспективными материалами для изготовления биосенсоров с высокой чувствительностью и низким пределом обнаружения является графен и его производные благодаря их большой удельной площади поверхности, превосходной гибкости и прочности, а также высокой электропроводности. В рамках данной работы рассматривается дырчатый графен, успешно синтезируемый и уже нашедший свое применение в нано- и биоэлектронике. Из экспериментальных данных известно, что свободные края отверстий в структуре дырчатого графена содержат функциональные группы, влияние которых следует учитывать при разработке сенсорных устройств на его основе. Цель данной работы заключалась в установлении закономерностей влияния функционализации карбонильными и карбоксильными группами на электронно-энергетические параметры дырчатого графена. Объектом исследования в данной работе являлась пленка дырчатого графена с почти круглыми отверстиями диаметром 1.2 нм. Все расчеты в рамках данного исследования выполнялись с помощью квантового метода функционала плотности в приближении сильной связи с самосогласованным вычислением заряда в программном пакете DFTB+ при температуре 300 К. Моделирование процесса функционализации дырчатого графена осуществлялось с применением оригинального алгоритма пошаговой посадки функциональных групп на атомы по краям отверстия. По результатам проведенных расчетов были установлены закономерности перераспределения электронной плотности заряда между функциональными группами и дырчатым графеном и особенности изменения уровня Ферми графенового объекта в ходе функционализации. Выявленные закономерности важны при разработке чувствительных элементов сенсорных устройств, изготавливаемых на основе дырчатого графена. 

Ключевые слова: 
дырчатый графен
функционализация
карбонильные и карбоксильные группы
энергия формирования
парциальный заряд
теория функционала плотности в приближении сильной связи
Благодарности: 
Исследование выполнено при финансовой поддержке Российского научного фонда (проект № 23-72-01122, https://rscf.ru/project/23-72-01122/).
Список источников: 
  1. Dey A. Semiconductor metal oxide gas sensors: A review. Materials Science and Engineering: B, 2018, vol. 229, pp. 206–217. https://doi.org/10.1016/j.mseb.2017.12.036
  2. Wong Y. C., Ang B. C., Haseeb A. S. M. A., Baharuddin A. A., Wong Y. H. Review – Conducting Polymers as Chemiresistive Gas Sensing Materials: A Review. J. Electrochem. Soc., 2020, vol. 167, no. 3, article no. 037503. https://doi.org/10.1149/2.0032003JES
  3. Liu X., Zheng W., Kumar R., Kumar M., Zhang J. Con[1]ducting polymer-based nanostructures for gas sensors. Coordination Chemistry Reviews, 2022, vol. 462, article no. 214517. https://doi.org/10.1016/j.ccr.2022.214517
  4. Choi J. H., Lee J., Byeon M., Hong T. E., Park H., Lee C. Y. Graphene-Based Gas Sensors with High Sensitivity and Minimal Sensor-to-Sensor Variation. ACS Appl. Nano Mater., 2020, vol. 3, no. 3, pp. 2257–2265. https://doi.org/10.1021/acsanm.9b02378
  5. Ikram M., Bari M. A., Bilal M., Jamal F., Nabgan W., Haider J., Haider A., Nazir G., Khan A. D., Khan K., Tareen A. K., Khan Q., Ali G., Imran M., Caffrey E., Maqbool M. Innovations in the synthesis of graphene nanostructures for bio and gas sensors. Biomaterials Advances, 2023, vol. 145, article no. 213234. https://doi.org/10.1016/j.bioadv.2022.213234
  6. Castro Neto A. H., Guinea F., Peres N. M. R., Novoselov K. S., Geim A. K. The electronic properties of graphene. Rev. Mod. Phys., 2009, vol. 81, pp. 109–162. https://doi.org/10.1103/RevModPhys.81.109
  7. Xu W., Peeters F. M., Lu T. C. Dependence of resistivity on electron density and temperature in graphene. Phys. Rev. B, 2009, vol. 79, article no. 73403. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.79.073403
  8. Li X., Wang X., Zhang L., Lee S., Dai H. Chemically Derived, Ultrasmooth Graphene Nanoribbon Semiconductors. Science, 2008, vol. 319, iss. 5867, pp. 1229–1232. https://doi.org/10.1126/science.1150878
  9. Jiang L., Fan Z. Design of advanced porous graphene materials: From graphene nanomesh to 3D architectures. Nanoscale, 2014, vol. 6, pp. 1922–1945. https://doi.org/10.1039/C3NR04555B
  10. Bai J., Zhong X., Jiang S., Huang Y., Duan X. Graphene nanomesh. Nat. Nanotechnol., 2010, vol. 5, pp. 190–194. https://doi.org/10.1038/nnano.2010.8
  11. Zribi B., Castro-Arias J.-M., Decanini D., Gogneau N., Dragoe D., Cattoni A., Ouerghi A., Korri-Youssoufi H., Haghiri-Gosnet A.-M. Large area graphene nanomesh: An artificial platform for edge-electrochemical biosensing at the sub-attomolar level. Nanoscale, 2016, vol. 8, pp. 15479–15485. https://doi.org/10.1039/C6NR04289A
  12. Yuan W., Li M., Wen Z., Sun Y., Ruan D., Zhang Z., Chen G., Gao Y. The Fabrication of Large-Area, Uniform Graphene Nanomeshes for High-Speed, Room-Temperature Direct Terahertz Detection. Nanoscale Research Letters, 2018, vol. 13, pp. 190. https://doi.org/10.1186/s11671-018-2602-6
  13. Schmidt M. E., Iwasaki T., Muruganathan M., Haque M., Ngoc H. V., Ogawa S., Mizuta H. Structurally Controlled Large-Area 10 nm Pitch Graphene Nanomesh by Focused Helium Ion Beam Milling. ACS Appl. Mater. Interfaces, 2018, vol. 10, pp. 10362–10368. https://doi.org/10.1021/acsami.8b00427
  14. Yang Y., Yang X., Liang L., Gao Y., Cheng H., Li X., Zou M., Ma R., Yuan Q., Duan X. Large-area grapheme-nanomesh/carbon-nanotube hybrid membranes for ionic and molecular nanofiltration. Science, 2019, vol. 364, pp. 1057–1062. https://doi.org/10.1126/science.aau5321
  15. Li F., Li Y., Zhao Y., Liu M., Kan E., Li Q., Wan Y. Synthesis of graphene nanomesh with symmetrical fractal patterns via hydrogen-free chemical vapor deposition. Nanotechnology, 2022, vol. 34, no. 4, article no. 045601. https://doi.org/10.1088/1361-6528/ac9d42
  16. 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
  17. Schneider M., Brouwer P. W. Density of states as a probe of electrostatic confinement in graphene. Phys. Rev. B, 2014, vol. 89, article no. 195437. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.89.205437
  18. Carpenter C., Christmann A. M., Hu L., Fampiou I., Muniz A. R., Ramasubramaniam A., Maroudas D. Elastic properties of graphene nanomeshes. Appl. Phys. Lett., 2014, vol. 104, article no. 141911. https://doi.org/10.1063/1.4871304
  19. Martinazzo R., Casolo S., Tantardini G. F. Symmetry-induced band-gap opening in graphene superlattices. Phys. Rev. B, 2010, vol. 81, article no. 245420. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.81.245420
  20. Nguyen V. H., Nguyen M. C., Nguyen H.-V., Dollfus P. Disorder effects on electronic bandgap and transport in graphene-nanomesh-based structures. Journal of Applied Physics, 2013, vol. 113, article no. 013702. https://doi.org/10.1063/1.4772609
  21. Zhang J., Zhang W., Ragab T., Basaran C. Mechanical and electronic properties of graphene nanomesh heterojunctions. Computational Materials Science, 2018, vol. 153, pp. 64–72. https://doi.org/10.1016/j.commatsci.2018.06.026
  22. Lee K. H., Kang D. J., Eom W., Lee H., Han T. H. Holey graphene oxide membranes containing both nanopores and nanochannels for highly efficient harvesting of water evaporation energy. Chemical Engineering Journal, 2022, vol. 430, article no. 132759. https://doi.org/10.1016/j.cej.2021.132759
  23. Lu A.-K., Li H.-Y., Yu Y. Holey graphene synthesized by electrochemical exfoliation for high-performance flexible microsupercapacitors. J. Mater. Chem. A, 2019, vol. 7, pp. 7852–7858. https://doi.org/10.1039/C9TA00792J
  24. Berrada S., Nguyen V. H., Querlioz D., Saint-Martin J., Alarcón A., Chassat C., Bournel A., Dollfus P. Graphene nanomesh transistor with high on/off ratio and good saturation behavior. Applied Physics Letters, 2013, vol. 103, article no. 183509. https://doi.org/10.1063/1.4828496
  25. Lin Y., Liao Y., Chen Z., Connell J. W. Holey graphene: a unique structural derivative of graphene. Materials Research Letters, 2017, vol. 5, iss. 4, pp. 209–234. https://doi.org/10.1080/21663831.2016.1271047
  26. Paul R. K., Badhulika S., Saucedo N. M., Mulchandani A. Graphene Nanomesh As Highly Sensitive Chemiresistor Gas Sensor. Analytical Chemistry, 2012, vol. 84, iss. 19, pp. 8171–8178. https://doi.org/10.1021/ac3012895
  27. Rabchinskii M. K., Ryzhkov S. A., Kirilenko D. A., Ulin N. V., Baidakova M. V., Shnitov V. V., Pavlov S. I., Chumakov R. G., Stolyarova D.Yu., Besedina N. A., Shvidchenko A. V., Potorochin D. V., Roth F., Smirnov D. A., Gudkov M. V., Brzhezinskaya M., Lebedev O. I., Melnikov V. P., Brunkov P. N. From graphene oxide towards aminated graphene: Facile synthesis, its structure and electronic properties. Scientific Reports, 2020, vol. 10, article no. 6902. https://doi.org/10.1038/s41598-020-63935-3
  28. Jung I., Jang H. Y., Park S. Direct growth of graphene nanomesh using a Au nano-network as a metal catalyst via chemical vapor deposition. Applied Physics Letters, 2013, vol. 103, article no. 023105. https://doi.org/10.1063/1.4813318
  29. Zhang J., Song H., Zeng D., Wang H., Qin Z., Xu K., Pang A., Xie C. Facile synthesis of diverse graphene nanomeshes based on simultaneous regulation of pore size and surface structure. Scientific Reports, 2016, vol. 6, article no. 32310. https://doi.org/10.1038/srep32310
  30. Koh K. H., Mostaghimi A. H. B., Chang Q., Kim Y. J., Siahrostami S., Han T. H., Chen Z. Elucidation and modulation of active sites in holey graphene electrocatalysts for H2O2 production. EcoMat., 2023, vol. 5, article no. e12266. https://doi.org/10.1002/eom2.12266
  31. Elstner M., Seifert G. Density functional tight binding. Philos. Trans. Royal Soc. A, 2014, vol. 372, article no. 20120483. https://doi.org/10.1098/rsta.2012.0483
  32. 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.-z., Frauenheim T. DFTB+, a software package for efficient approximate density functional theory based atomistic simulations. J. Chem. Phys., 2020, vol. 152, article no. 124101. https://doi.org/10.1063/1.5143190
  33. 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. Phys. Status Solidi B, 2012, vol. 249, iss. 2, pp. 276–282. https://doi.org/10.1002/pssb.201100630
  34. Rappe A. K., Casewit C. J., Colwell K. S., Goddard W. A., Skiff W. M. UFF, a full periodic table force field for molecular mechanics and molecular dynamics simulations. J. Am. Chem. Soc., 1992, vol. 114, pp. 10024–10035. https://doi.org/10.1021/ja00051a040
  35. Rabchinskii M. K., Shnitov V. V., Dideikin A. T., Aleksenskii A. E., Vul S. P., Baidakova M. V., Pronin I. I., Kirilenko D. A., Brunkov P. N., Weise J., Molodtsov S. L. Nanoscale Perforation of Graphene Oxide during Photoreduction Process in the Argon Atmosphere. Journal of Physical Chemistry C, 2016, vol. 12, iss. 49, pp. 28261–28269. https://doi.org/10.1021/acs.jpcc.6b08758
  36. Feng T., Ruan X. Ultra-low thermal conductivity in graphene nanomesh. Carbon, 2016, vol. 101, pp. 107–113. https://doi.org/10.1016/j.carbon.2016.01.082
  37. Mulliken R. S. Electronic Population Analysis on LCAO–MO Molecular Wave Functions. J. Chem. Phys., 1955, vol. 23, pp. 1833–1840. https://doi.org/10.1063/1.1740588
  38. 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: 
19.12.2023
Принята к публикации: 
05.03.2024
Опубликована: 
28.06.2024
  • 394 просмотра