Известия Саратовского университета.

Новая серия. Серия Физика

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

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

Статья опубликована на условиях лицензии Creative Commons Attribution 4.0 International (CC-BY 4.0).
Опубликована онлайн: 
30.11.2021
Полный текст в формате PDF(Ru):
скачать
(загрузок: 300)
Язык публикации: 
русский
Рубрика: 
Нанотехнологии, наноматериалы и метаматериалы
Тип статьи: 
Научная статья
УДК: 
538.915
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

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

 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. 

Ключевые слова: 
гибридные пленки
бислойный графен
одностенные углеродные нанотрубки
теория функционала плотности в приближении сильной связи
зонная структура
плотность электронных состояний
Благодарности: 
Работа выполнена при финансовой поддержке Совета по грантам Президента Российской Федерации для государственной поддержки молодых российских ученых – кандидатов наук (проект № MK-2289.2021.1.2) (построение и оценка энергетической устойчивости атомистических моделей гибридных структур графен-нанотрубки) и Российского научного фонда (проект № 21-19-00226) (расчеты зонной структуры и интерпретация полученных результатов).
Список источников: 
  1. 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
  2. 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
  3. 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
  4. 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
  5. 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
  6. 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
  7. 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
  8. 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
  9. 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
  10. 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
  11. 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
  12. 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
  13. 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
  14. 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
  15. 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
  16. 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
  17. 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
  18. 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
  19. 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
  20. 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
  21. 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
  22. 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
  23. 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
  24. 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
  25. 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
  26. 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
  27. 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
  28. 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
  29. 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
  30. 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
  31. 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
  32. 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
  33. 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
  34. 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
  35. DFTB+ Density Functional Based Tight Binding (and more). URL: https://dftbplus.org/ (дата обращения: 12.05.2020).
  36. 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
  37. 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
  38. 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
  39. 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
  40. 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
  41. 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
Поступила в редакцию: 
22.08.2021
Принята к публикации: 
15.09.2021
Опубликована: 
30.11.2021
  • 1245 просмотров