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. Сенсорные свойства тонких пленок перфорированного графена, функционализированного СООН-группами: DFTB-исследование // Известия Саратовского университета. Новая серия. Серия: Физика. 2025. Т. 25, вып. 4. С. 485-494. DOI: 10.18500/1817-3020-2025-25-4-485-494, EDN: XIORAE

Статья опубликована на условиях лицензии Creative Commons Attribution 4.0 International (CC-BY 4.0).
Опубликована онлайн: 
28.11.2025
Полный текст в формате PDF(Ru):
скачать
(загрузок: 5)
Язык публикации: 
русский
Рубрика: 
Нанотехнологии, наноматериалы и метаматериалы
Тип статьи: 
Научная статья
УДК: 
538.915
DOI: 
10.18500/1817-3020-2025-25-4-485-494
EDN: 
XIORAE

Сенсорные свойства тонких пленок перфорированного графена, функционализированного СООН-группами: DFTB-исследование

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: 

Перфорированный графен является одним из наиболее обсуждаемых представителей пористых 2D наноматериалов с позиции их многообещающих свойств и перспектив применения в наноэлектронике и наносенсорике. В рамках данной работы рассматриваются плёнки перфорированного графена с почти круглыми отверстиями диаметром 1.2 нм, функционализированного карбоксильными (СООН) группами. Цель работы заключалась в оценке хеморезистивного отклика подобных плёнок на молекулы газа NO2, являющегося одним из загрязняющих воздух веществ. Для проведения исследования применялся квантовый метод функционала плотности в приближении сильной связи с самосогласованным вычислением заряда. Расчеты хеморезистивного отклика проводились в присутствии молекул воды на поверхности плёнки функционализированного перфорированного графена(ФПГ) при температуре 300 К. Установлено, что величина отклика плёнки составляет 87–93% в зависимости от числа адсорбируемых на поверхности перфорированного графена молекул NO2 (от 1 до 6). Высокая хеморезистивная чувствительность исследуемых плёнок объясняется резким снижением их сопротивления (на порядок) при посадке молекул NO2. Наблюдаемое снижение сопротивления объясняется с позиции изменении электронного строения плёнки и закономерностей квантового транспорта электронов в ней. Полученные результаты свидетельствуют о многообещающих перспективах применения плёнок функционализированного перфорированного графена в газовой сенсорике для обнаружения загрязняющих веществ в воздухе.

Ключевые слова: 
хеморезистивный отклик
кислород-содержающие группы
уровень Ферми
метод 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. 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 K., Li J., Zhou L., Zhang T., Fu L. Synthetic strategies of two-dimensional porous materials towards highly effective catalysts. Flat Chem., 2019, vol. 15, art. 100109. https://doi.org/10.1016/j.flatc.2019.100109
  10. 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
  11. 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
  12. 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
  13. 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
  14. 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
  15. 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
  16. Yang D., Xu B., Zhao Q., Zhao X. S. Three-dimensional nitrogen-doped holey graphene and transition metal oxide composites for sodium-ion batteries. J. Mater. Chem. A, 2019, vol. 7, pp. 363–371. https://doi.org/10.1039/C8TA09188A
  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. Sensors and Actuators B: Chemical, 2021, vol. 336, art. 129721. https://doi.org/10.1002/cssc.201501169
  19. Eldeeb M. S., Fadlallah M. M., Martyna G. J., Maarouf A. A. Doping of large-pore crown graphene nanomesh. Carbon, 2018, vol. 133, pp. 369–378. https://doi.org/10.1016/j.carbon.2018.03.048
  20. Huang L., Miao S., Wang X., Yang X. DFT study of gas adsorbing and electronic properties of unsaturated nanoporous graphene. Molecular Simulation, 2020, vol. 46, pp. 853–863. https://doi.org/10.1080/08927022.2020.1778171
  21. 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
  22. Shnitov V. V., Rabchinskii M. K., Brzhezinskaya M., Stolyarova D. Yu., Pavlov S. V., Baidakova M. V., Shvidchenko A. V., Kislenko V. A., Kislenko S. A., Brunkov P. N. Valence band structure engineering in graphene derivatives. Small, 2021, vol. 17, art. 2104316. https://doi.org/10.1002/smll.202104316
  23. Barkov P. V., Slepchenkov M. M., Glukhova O. E. Electrophysical properties of thin films of perforated graphene functionalized with carbonyl groups. Technical Physics, 2024, vol. 94, iss. 3, pp. 426–432 (in Russian).
  24. 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
  25. 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
  26. 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. et al. DFTB+, a software package for efficient approximate density functional theory based atomistic simulations. J. Chem. Phys., 2020, vol. 152, iss. 12, art. 124101. https://doi.org/10.1063/1.5143190
  27. Elstner M., Seifert G. Density functional tight binding. Philos. Trans. Royal Soc. A, 2014, vol. 372, art. 20120483. https://doi.org/10.1098/rsta.2012.0483
  28. Monkhorst H. J., Pack J. D. Special Points for Brillouin-Zone Integrations. Phys. Rev. B, 1976, vol. 13, pp. 5188–5192. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.13.5188
  29. Datta S. Quantum Transport: Atom to Transistor. Cambridge, Cambridge University Press, 2005. xiv + 404 p.
  30. 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. J. Phys. Chem. C, 2016, vol. 12, pp. 28261–28269. https://doi.org/10.1021/acs.jpcc.6b08758
  31. Sakkaki B., Saghai H. R., Darvish G., Khatir M. Electronic and optical properties of passivated graphene nanomeshes: An ab initio study. Opt. Mater., 2021, vol. 122, art. 111707. https://doi.org/10.1016/j.optmat.2021.111707
  32. Zhang J., Zhang W., Ragab T., Basaran C. Mechanical and electronic properties of graphene nanomesh heterojunctions. Comp. Mater. Sc., 2018, vol. 153, pp. 64–72. https://doi.org/10.1016/j.commatsci.2018.06.026
  33. 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, no. 4, pp. 392–396. https://doi.org/10.22226/2410-3535-2021-4-392-396
  34. Slepchenkov M. M., Barkov P. V., Glukhova O. E Influence of functional groups on the electronic and energy characteristics of thin films of holey graphene: Results of DFTB simulation. Izvestiya of Saratov Univercity. Physics, 2024, vol. 24, iss. 2, pp. 114–125 (in Russian). https://doi.org/10.18500/1817-3020-2024-24-2-114-125
  35. Rabchinskii M. K., Sysoev V. V., Glukhova O. E., Brzhezinskaya M., Stolyarova D. Yu., Varezhnikov A. S., Solomatin M. A., Barkov P. V., Kirilenko D. A., Pavlov S. I., Baidakova M. V., Shnitov V. V., Struchkov N. S., Nefedov D. Yu., Antonenko A. O., Cai P., Liu Z., Brunkov P. N. Guiding graphene derivatization for the on-chip multisensor arrays: From the synthesis to the theoretical background. Adv. Mater. Technol., 2022, vol. 7, art. 2101250. https://doi.org/10.1002/admt.202101250
Поступила в редакцию: 
14.04.2025
Принята к публикации: 
10.07.2025
Опубликована: 
28.11.2025
  • 73 просмотра