mateltechИзвестия высших учебных заведений. Материалы электронной техникиIzvestiya Vysshikh Uchebnykh Zavedenii. Materialy Elektronnoi Tekhniki = Materials of Electronics Engineering1609-35772413-6387MISIS10.17073/1609-3577-2016-4-249-253mateltech-293Research ArticleНаноматериалы и нанотехнологииNANOMATERIALS AND NANOTECHNOLOGYИонная проводимость бороуглеродных нанослоев типа ВС3Study of vacancy migration as a function of boron substitution in carbon nanolayersБорознинС. В.BorozninS. V.

Борознин Сергей Владимирович  — кандидат физико−математических наук, доцент кафедры судебной экспертизы и физического материаловедения.

Университетский просп., д. 100, Волгоград, 400062.

Sergey V. Boroznin — Cand.  Sci. (Phys.−Math.), Associate Professor.

100 Universitetskii Prospekt, Volgograd 400062.

boroznin@volsu.ruЗапороцковаИ. В.ZaporotskovaI. V.

Запороцкова Ирина  Владимировна  — доктор  физико−математических наук, профессор, директор института приоритетных технологий.

Университетский просп., д. 100, Волгоград, 400062.

Irina V. Zaporotskova1 — Dr. Sci. (Phys.−Math.), Professor, Director of the Institute of Priority Technologies.

100 Universitetskii Prospekt, Volgograd 400062.

irinazaporoskova@gmail.comВолгоградский государственный университетРоссияVolgograd State UniversityRussian Federation201630122016194249253Copyright © Борознин С.В., Запороцкова И.В., 20162016Борознин С.В., Запороцкова И.В.Boroznin S.V., Zaporotskova I.V.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://met.misis.ru/jour/article/view/293

Исследования ионной проводимости и структуры,  в которых она может реализоваться, очень важны для развития современных элементов питания. Использование новых материалов позволит избавиться от таких недостатков, как малое время жизни, малая энергоемкость и возможность утечек из батареи. Исследованы особенности ионной проводимости бороуглеродных нанослоев типа ВС3, различающихся взаимным расположением входящих  в их состав атомов бора  и углерода. Для этой цели смоделированы три вида нанослоев с различными вариантами атомного упорядочения бора  и углерода в них. Эти слои содержали вакансию (V−дефект). Миграцию  вакансии, вызывающую перераспределение электронной плотности в слое, интерпретировали как движение ионов,  или ионную проводимость. Исследованы механизмы миграции вакансии и определены основные электронно− энергетические характеристики этих процессов. Определен наиболее предпочтительный для реализации ионной проводимости вариант бороуглеродного нанослоя.

Studies of ionic conductivity  and structures in which it can be achieved are of great importance for the development of modern batteries. The use of new materials will allow avoiding such typical disadvantages of batteries as short service life, low capacity and leaks. In this article we present the results of our study of the ionic conductivity in boron  carbon nanolayers. We have simulated three types  of boron carbon nanolayers containing different amounts of boron. The studies have been carried out using the MNDO method within the framework of the  molecular cluster model  and  the  DFT method with the  B3LYP functional  and the 6−31G basis. To study the ion conduction process we have simulated vacancy formation for each type of the nanolayers and studied the energy and electronic characteristics of these processes. We show that 25 % boron substitution is the most energetically favorable for vacancy formation. We have  also  simulated vacancy migration  and  determined the  thermal conductivity  as  a function  of temperature.

бороуглеродные нанотрубкивакансиитранспортные свойстваионная проводимостьboron−carbon nanotubesvacancytransport propertiesionic conductivityПрезидент РФPresident of the Russian FederationReferencesKumar, P. P. Ionic conduction in the solid state / P. P. Kumar, S. Yashonath // J. Chem. Sci. − 2006. − V. 118, iss. 1. − P. 135—154. DOI: 10.1007/BF02708775Kumar P. P., Yashonath S. Ionic conduction in the solid state. J. Chem. Sci., 2006, vol. 118, no. 1, pp. 135—154. DOI: 10.1007/BF02708775Запороцкова, И. В. Углеродные и неуглеродные наноматериалы и композитные структуры на их основе: строение и электронные свойства / И. В. Запороцкова. − Волгоград : Изд−во ВолГУ, 2009. − 490 с.Zaporotskova I. V. Uglerodnye i neuglerodnye nanomaterialy i kompozitnye struktury na ikh osnove: stroenie i elektronnye svoistva [Carbon and uncarbon nanomaterials and composite structures on their base: structure and electronic properties]. Volgograd: VolGU, 2009. 490 p. (In Russ.)Xue, Yafang. Excellent electrical conductivity of the exfoliated and fluorinated hexagonal boron nitride nanosheets / Yafang Xue, Qian Liu, Guanjie He, Kaibing Xu, Lin Jiang, Xianghua Hu, Junqing Hu // Nanoscale Research Letters. − 2013. − V. 8. − Art. no. 49(1−7). DOI: 10.1186/1556-276X-8-49Yafang Xue, Qian Liu, Guanjie He, Kaibing Xu, Lin Jiang, Xianghua Hu, Junqing Hu. Excellent electrical conductivity of the exfoliated and fluorinated hexagonal boron nitride nanosheets. Nanoscale Research Letters, 2013, vol. 8, p. 49(1−7). DOI: 10.1186/1556-276X-8-49Islam, M. M. The ionic conductivity in lithium−boron oxide materials and its relation to structural, electronic and defect properties: insights from theory / M. M. Islam, T. Bredow, P. Heitjans // J. Phys.: Condens. Matter. − 2012. − V. 24, N 20. − P. 203201. DOI: 10.1088/0953-8984/24/20/203201Islam M. M., Bredow T., Heitjans P. The ionic conductivity in lithium−boron oxide materials and its relation to structural, electronic and defect properties: insights from theory. J. Phys.: Condens. Matter., 2012, vol. 24, no. 20, p. 203201. DOI: 10.1088/0953-8984/24/20/203201Roll, M. F. Ionic borohydride clusters for the next generation of boron thin−films: Nano−building blocks for electrochemical and refractory materials / M. F. Roll // J. Mater. Res. − 2016. − V. 31, iss. 18. − P. 2736—2748. DOI: 10.1557/jmr.2016.261Roll M. F. Ionic borohydride clusters for the next generation of boron thin−films: Nano−building blocks for electrochemical and refractory materials. J. Mater. Res., 2016, vol. 31, no. 18, pp. 2736—2748. DOI: 10.1557/jmr.2016.261Maier, J. Nanoionics: ion transport and electrochemical storage in confined systems / J. Maier // Nature Materials. − 2005. − V. 4. − P. 805—815. DOI: 10.1038/nmat1513Maier J. Nanoionics: ion transport and electrochemical storage in confined systems. Nature Materials, 2005, vol. 4, рр. 805—815. DOI: 10.1038/nmat1513Cohen, M . L . The physics of boron nitride nanotubes / M. L. Cohen, A. Zettl // Physics Today. − 2010. − V. 63, iss. 11. − P. 34—38. DOI: 10.1063/1.3518210Cohen M. L ., Zettl A. The physics of boron nitride nanotubes. Physics Today, 2010, vol. 63, no. 11, pp. 34—38. DOI: 10.1063/1.3518210Bezugly, V. Highly conductive boron nanotubes: Transport properties, work functions, and structural stabilities / V. Bezugly, J. Kunstmann, B. Grundkötter−Stock, T. Frauenheim, T. Niehaus, G. Cuniberti // ACS Nano. − 2011. − V. 5, iss. 6. − P. 4997—5005. DOI: 10.1021/nn201099aBezugly V., Kunstmann J., Grundkötter−Stock B., Frauenheim T., Niehaus T., Cuniberti G. Highly conductive boron nanotubes: Transport properties, work functions, and structural stabilities. ACS Nano, 2011, vol. 5, iss. 6, pp. 4997—5005. DOI: 10.1021/nn201099aFuentes, G. G. Formation and electronic properties of BC3 single−wall nanotubes upon boron substitution of carbon nanotubes / G. G. Fuentes, E. Borowiak−Palen, M. Knupfer, T. Pichler, J. Fink, L. Wirtz, A. Rubio // Phys. Rev. B. − 2004. − V. 69, iss. 24. − P. 245403. DOI: 10.1103/PhysRevB.69.245403Fuentes G. G., Borowiak−Palen E., Knupfer M., Pichler T., Fink J., Wirtz L., Rubio A. Formation and electronic properties of BC3 single−wall nanotubes upon boron substitution of carbon nanotubes. Phys. Rev. B, 2004, vol. 69, no. 24, p. 245403. DOI: 10.1103/PhysRevB.69.245403Miyamoto, Y. Electronic properties of tubule forms of hexagonal BC3 / Y. Miyamoto, A. Rubio, S. G. Louie, M. L. Cohen // Phys. Rev. B. − 1994. − V. 50, iss. 24. − P. 18360—18366. DOI: 10.1103/PhysRevB.50.18360Miyamoto Y., Rubio A., Louie S. G., Cohen M. L. Electronic properties of tubule forms of hexagonal BC3. Phys. Rev. B, 1994, vol. 50, no. 24, pp. 18360—18366. DOI: 10.1103/PhysRevB.50.18360Jana, D. Effect of chemical doping of boron and nitrogen on the electronic, optical, and electrochemical properties of carbon nanotubes / D. Jana, C.−L. Sun, L.− C. Chen, K.−H. Chen // Prog. Mater. Sci. − 2013. − V. 58, iss. 5. − P. 565—635. DOI: 10.1016/j.pmatsci.2013.01.003Jana D., Sun C.−L., Chen L.− C., Chen K.−H. Effect of chemical doping of boron and nitrogen on the electronic, optical, and electrochemical properties of carbon nanotubes. Progress in Materials Science, 2013, vol. 58, no. 5, pp. 565—635. DOI: 10.1016/j.pmatsci.2013.01.003Wang, R. Boron−doped carbon nanotubes serving as a novel chemical sensor for formaldehyde / R. Wang, D. Zhang, Y. Zhang, Ch. Liu // J. Phys. Chem. B. − 2006. − V. 110, iss. 37. − P. 18267—18271. DOI: 10.1021/jp061766+Wang R., Zhang D., Zhang Y., Liu Ch. Boron−doped carbon nanotubes serving as a novel chemical sensor for formaldehyde. J. Phys. Chem. B, 2006, vol. 110, no. 37, pp. 18267—18271. DOI: 10.1021/jp061766+Li, Y.−T. Effect of B/N co−doping on the stability and electronic structure of single−walled carbon nanotubes by first−principles theory / Y.−T. Li, T.−Ch. Chen // Nanotechnology. − 2009. − V. 20, N 37. − P. 375705. DOI: 10.1088/0957-4484/20/37/375705Yung−Ta Li, Tei−Chen Chen. Effect of B/N co−doping on the stability and electronic structure of single−walled carbon nanotubes by first−principles theory. Nanotechnology, 2009, vol. 20, no. 37, p. 375705. DOI: 10.1088/0957-4484/20/37/375705Zeng, Haibo. «White graphenes»: Boron nitride nanoribbons via boron nitride nanotube unwrapping / Haibo Zeng, Chunyi Zhi, Zhuhua Zhang, Xianlong Wei, Xuebin Wang, Wanlin Guo, Yoshio Bando, D. Golberg // Nano Lett. − 2010. − V. 10, iss. 12. − P. 5049—5055. DOI: 10.1021/nl103251mZeng H., Zhi C., Zhang Z., Wei X., Wang X., Guo W., Bando Y., Golberg D. «White graphenes»: Boron nitride nanoribbons via boron nitride nanotube unwrapping. Nano Lett., 2010, vol. 10, no. 12, pp. 5049—5055. DOI: 10.1021/nl103251mDewar, M. J. S. Ground states of molecules. 38. The MNDO method. Approximations and parameters / M. J. S. Dewar, W. Thiel // J. Amer. Chem . Soc. − 1977. − V. 99, N 15. − P. 4899 — 4907. DOI: 10.1021/ja00457a004Dewar M. J. S., Thiel W. Ground states of molecules. 38. The MNDO method. Approximations and parameters. J. Amer. Chem. Soc., 1977, vol. 99, no. 15, pp. 4899—4907. DOI: 10.1021/ja00457a004Борознин, С. В. Электронное строение и характеристики некоторых видов борсодержащих нанотруб / С. В. Борознин, Е. В. Перевалова, И. В. Запороцкова, Д. И. Поликарпов // Вестник ВолГУ. Сер. 10. Инновационная деятельность. − 2012. − Вып. 6. − С. 81—86.Boroznin S. V., Perevalova E. V., Zaporotskova I. V., Polikarpov D. I. Electronic structure and characteristics of some types of boron containing nanotubes. Vestnik VolGU. Seriya 10: Innovatsionnaya deyatelnost = Science Journal of Volgograd State University. Technology and innovations, 2012, no. 6, pp. 81—86. (In Russ.)Павлов , П. В. Физика твердого тела / П. В. Павлов, Хохлов А. Ф. − М.: Высшая школа, 2000. − 494 c.Pavlov P. V., Hohlov A. F. Fizika tverdogo tela [Solid state physics]. Moscow: Vysshaya shkola, 2000. 494 p. (In Russ.)Ивановский, А. Л. Квантовая химия в материаловедении: Нанотубулярные формы вещества / А. Л. Ивановский . − Екатеринбург: Ин−тхимии твердого тела УрОРАН, 1999. − 176 с.Ivanovskii A. L. Kvantovaya khimiya v materialovedenii: Nanotubulyarnye formy veshchestva [Quantum chemistry in materials. Nanotubular forms of matter]. Ekaterinburg: Institute of Solid State Chemistry, Ural Branch of the Russian Academy of Sciences, 1999. 176 p. (In Russ.)

The authors declare that there are no conflicts of interest present.