mateltechИзвестия высших учебных заведений. Материалы электронной техникиIzvestiya Vysshikh Uchebnykh Zavedenii. Materialy Elektronnoi Tekhniki = Materials of Electronics Engineering1609-35772413-6387MISIS10.17073/1609-3577-2020-4-253-259DVFDJBmateltech-415Research ArticleСТАТЬИARTICLESПоверхностно-модифицированная аминной группой бороуглеродная BC5 нанотрубка как элемент сенсорного устройства: теоретические исследованияSurface-modified boroncarbon BC5 nanotube with amine group as a sensor device element: theoretical researchhttps://orcid.org/0000-0002-9486-2482ЗапороцковаИ. В.ZaporotskovaI. V.

просп. Университетский, д. 100, Волгоград, 400062

Запороцкова Ирина Владимировна — доктор физ.-мат. наук, профессор, директор института приоритетных технологий

100 Universitetskiy Prospect, Volgograd 400062

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

irinazaporotskova@gmail.comhttps://orcid.org/0000-0002-8995-9773ДрючковЕ. С.DryuchkovE. S.

просп. Университетский, д. 100, Волгоград, 400062

Дрючков Евгений Сергеевич — аспирант

100 Universitetskiy Prospect, Volgograd 400062

Evgeniy S. Dryuchkov — Postgraduate Student

dryuchkov@volsu.ruhttps://orcid.org/0000-0003-0813-6888БорознинаН. П.BorozninaN. P.

просп. Университетский, д. 100, Волгоград, 400062

Борознина Наталья Павловна — доктор физ.-мат. наук, профессор

100 Universitetskiy Prospect, Volgograd 400062

Nataliya P. Boroznina — Dr. Sci. (Phys.-Math.), Professor

boroznina.natalya@volsu.ruhttps://orcid.org/0000-0002-4973-1328КожитовЛ. В.KozhitovL. V.

Ленинский просп., д. 4, Москва, 119049

Кожитов Лев Васильевич — доктор техн. наук, профессор

4 Leninsky Prospekt, Moscow 119049

Lev V. Kozhitov — Dr. Sci. (Eng.), Professor

kozitov@misis.ruhttps://orcid.org/0000-0003-4657-9305ПопковаА. В.PopkovaA. V.

ул. Железнодорожная, д. 24, Подольск, 142103

Попкова Алёна Васильевна — старший научный сотрудник

24 Zheleznodorozhnaya Str., Podolsk, Moscow Region 142103

Alena V. Popkova — Senior Researcher

popkova-alena@rambler.ruВолгоградский государственный университетРоссияVolgograd State UniversityRussian FederationНациональный исследовательский технологический университет «МИСиС»РоссияNational University of Science and Technology MISiSRussian FederationНИИ НПО «ЛУЧ»РоссияLUCH Research and Production AssociationRussian Federation202025022021234253259Copyright © Запороцкова И.В., Дрючков Е.С., Борознина Н.П., Кожитов Л.В., Попкова А.В., 20212021Запороцкова И.В., Дрючков Е.С., Борознина Н.П., Кожитов Л.В., Попкова А.В.Zaporotskova I.V., Dryuchkov E.S., Boroznina N.P., Kozhitov L.V., Popkova A.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/415

Модификация бороуглеродных нанотрубок функциональными группами актуальна в связи с интенсивным развитием наноиндустрии, в частности, нано- и микроэлектроники. Модифицированная таким образом нанотрубка может быть использована в качестве элемента сенсорного устройства для обнаружения микроколичеств различных веществ, например, металлов, входящих в состав солей и щелочей. В работе обсуждается возможность создания высокоэффективного сенсора на базе однослойной бороуглеродной ВС5 нанотрубки, поверхностно-модифицированной функциональной аминной группой (—NH2). Результаты квантово-химических исследований показали, что функциональная аминная группа присоединяется к бороуглеродной  нанотрубке (БУНТ) типа (6, 0) на расстоянии 0,16 нм (при модификации как на поверхностный атом углерода, так и на атом бора), а к БУНТ типа (6, 6) — на расстоянии 0,16 нм при присоединении группы к атому углерода и 0,17 нм при присоединении к атому, что говорит о возникновении химической связи между исследуемыми БУНТ и аминной группой. Представлены результаты компьютерного моделирования взаимодействия между поверхностно-модифицированной ВС5 нанотрубкой и атомами щелочных металлов (литий, натрий, калий), подлежащими инициализации. Исследовано сенсорное взаимодействие модифицированной бороуглеродной наносистемы с атомами металлов, при котором производится идентификация выбранных атомов на определенном расстоянии. При взаимодействии с атомами щелочных металлов в комплексе «ВС5 + NH2» увеличивает число носителей, обусловленное переносом электронной плотности от атомов металла к модифицированной БУНТ. Результаты, излагаемые в данной статье, были получены в рамках модели молекулярного кластера путем квантово-химических расчетов с использованием расчетного метода DFT c обменно-корреляционным функционалом B3LYP (валентно-расщепленный базисный набор 6-31G). Было доказано, что модифицированная аминной группой бороуглеродная ВС5 нанотрубка показывает сенсорный отклик в отношении вышеуказанных атомов щелочных металлов и может использоваться в качестве элемента сенсорного устройства.

The modification of boron-carbon nanotubes by functional groups is relevant in connection with the intensive development of the nano-industry, in particular, nano- and microelectronics. The thus modified nanotube can be used as an element of a sensor device for detecting micro amounts of various substances, for example metals included in salts and alkalis. The possibility of creating a highly effective sensor based on a single-layer boron-carbon ВС5 nanotube with a surface modified functional amine group (—NH2) is being discussed in this paper. Results of quantum-chemical studies showed that the functional amine group connecting to the boron-carbon nanotube (BCNT) type (6, 0) at a distance of 0.16 nm (when modified to both a surface carbon atom and a boron atom), and to BCNT type (6, 6) — at a distance of 0.16 nm when the group connecting to the carbon atom and 0.17 nm when connecting to the boron atom, which indicates the emergence of a chemical bond between the investigated BCNT and the amine group. The results of computer simulation of interaction between surface-modified ВС5 nanotube and alkali metal atoms (lithium, sodium, potassium) to be initialized are presented. The sensory interaction of the modified boron-carbon nanosystem with metal atoms is investigated, at which the selected atoms are identified at a certain distance. When reacting with alkali metal atoms in the BC5 + NH2 complex, it increases the number of carriers due to the transfer of electron density from metal atoms to modified BCNT. The results presented in this paper were obtained within the molecular cluster model by quantum-chemical calculations using the calculating DFT method with exchange-correlation functionality B3LYP (valence-split basis set 6-31G). It has been shown that the amine group modified boron-carbon ВС5 nanotube shows a sensory response to the above alkali metal atoms and can be used as an element of the sensor device. 

бороуглеродная нанотрубкасенсорные свойствафункциональная группааминная группаповерхностная модификацияboron-carbon nanotubesensor propertiesfunctional groupamino groupsurface modificationReferencesDresselhaus M. S., Dresselhaus G., Eklund P. C. Science of Fullerenes and Carbon Nanotubes. London: Academic Press, Inc., 1996. 965 p.Dresselhaus M. S., Dresselhaus G., Eklund P. C. Science of Fullerenes and Carbon Nanotubes. London: Academic Press, Inc., 1996, 965 p.Saito R., Dresselhaus M. S., Dresselhaus G. Physical properties of carbon nanotubes. London: Imperial College Press, 1998. 262 p.Saito R., Dresselhaus M. S., Dresselhaus G. Physical properties of carbon. London: Imperial College Press, 1998, 262 p.Запороцкова И. В. Углеродные и неуглеродные наноматериалы и композитные структуры на их основе: строение и электронные свойства. Волгоград: ВолГУ, 2009. 490 с.Zaporotskova I. V. Uglerodnye i neuglerodnye nanomaterialy i kompozitnye struktury na ikh osnove: stroenie i elektronnye svoistva [Carbon and non-carbon nanomaterials and composite structures based on them: structure and electronic properties]. Volgograd: VolSU, 2009, 490 p. (In Russ.)Mohamed A. E.-M. A., Mohamed M. A. Carbon nanotubes: Synthesis, characterization, and applications. In: Carbon Nanomaterials for Agri-food and Environmental Applications. Elsevier Inc., 2019. P. 21—32. DOI: 10.1016/B978-0-12-819786-8.00002-5Mohamed A. E.-M. A., Mohamed M. A. Carbon nanotubes: Synthesis, characterization, and applications. In: Carbon Nanomaterials for Agri-food and Environmental Applications. Elsevier Inc., 2019, pp. 21—32. DOI: 10.1016/B978-0-12-819786-8.00002-5Arunkumar T., Karthikeyan R., Ram Subramani R., Viswanathan K., Anish M. Synthesis and characterisation of multi-walled carbon nanotubes (MWCNTs) // International Journal of Ambient Energy. 2020. V. 41, N 4. P. 452—456. DOI: 10.1080/01430750.2018.1472657Arunkumar T., Karthikeyan R., Ram Subramani R., Viswanathan K., Anish M. Synthesis and characterisation of multi-walled carbon nanotubes (MWCNTs). International Journal of Ambient Energy, 2020, vol. 41, no. 4, pp. 452—456. DOI: 10.1080/01430750.2018.1472657Tomilin O. B., Rodionova E. V., Rodin E. A., Poroshina M. D., Frolov AS. The effect of carbon nanotube modifications on their emission properties // Fullerenes Nanotubes and Carbon Nanostructures. 2020. V. 28, N 2. P. 123—128. DOI: 10.1080/1536383X.2019.1680978Tomilin O. B., Rodionova E. V., Rodin E. A., Poroshina M. D., Frolov A. S. The effect of carbon nanotube modifications on their emission properties. Fullerenes Nanotubes and Carbon Nanostructures, 2020, vol. 28, no. 2, pp. 123—128. DOI: 10.1080/1536383X.2019.1680978Savin A. V., Savina O. I. An effect of chemical modification of surface of carbon nanotubes on their thermal conductivity // Physics of the Solid State. 2019. V. 61, N 2. P. 279—284. DOI: 10.1134/S1063783419020252Savin A. V., Savina O. I. An effect of chemical modification of surface of carbon nanotubes on their thermal conductivity. Physics of the Solid State, 2019, vol. 61, no. 2, pp. 279—284. DOI: 10.1134/S1063783419020252Dresselhaus M. S., Dresselhaus G., Avouris P. Сarbon nanotubes: synthesis, structure, properties, and application. Berlin: Springer-Verlag, 2000. 464 p.Dresselhaus M. S., Dresselhaus G., Avouris P. Сarbon nanotubes: synthesis, structure, properties, and application. Berlin: Springer-Verlag, 2000, 464 p.Дьячков П. Н. Электронные свойства и применение нанотрубок. М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2010. 488 с.D'yachkov P. N. Elektronnye svoistva i primenenie nanotrubok [Electronic properties and use of nanotubes]. Moscow: BINOM. Laboratoriya znanii, 2010, 488 p. (In Russ.)Wojtkiewicz J., Brzostowski B., Pilch M. Electronic and optical properties of carbon nanotubes directed to their applications in solar cells // PRAM 2019: Parallel Processing and Applied Mathematics. Poland, 2020. P. 341—349. DOI: 10.1007/978-3-030-43222-5_30Wojtkiewicz J., Brzostowski B., Pilch M. Electronic and optical properties of carbon nanotubes directed to their applications in solar cells. PRAM 2019: Parallel Processing and Applied Mathematics. Poland, 2020, pp. 341—349. DOI: 10.1007/978-3-030-43222-5_30Suhito I. R., Koo K.-M., Kim T. H. Recent advances in electrochemical sensors for the detection of biomolecules and whole cells // Biomedicines. 2021. V. 9, N 1. P. 1—20. DOI: 10.3390/biomedicines9010015Suhito I. R., Koo K.-M., Kim T. H. Recent advances in electrochemical sensors for the detection of biomolecules and whole cells. Biomedicines, 2021, vol. 9, no. 1, pp. 1—20. DOI: 10.3390/biomedicines9010015Park S. H., Bai S.-J., Song, Y. S. Improved performance of carbon nanotubes embedded photomicrobial solar cell // Nanotechnology. 2020. V. 31, N 11. P. 115401. DOI: 10.1088/1361-6528/ab5b2aPark S. H., Bai S.-J., Song Y. S. Improved performance of carbon nanotubes embedded photomicrobial solar cell. Nanotechnology, 2020, vol. 31, no. 11, p. 115401. DOI: 10.1088/1361-6528/ab5b2aLiu H., Li Y. Modified carbon nanotubes for hydrogen storage at moderate pressure and room temperature // Fullerenes Nanotubes and Carbon Nanostructures. 2020. V. 28, N 8. P. 663—670. DOI: 10.1080/1536383X.2020.1738396Liu H., Li Y. Modified carbon nanotubes for hydrogen storage at moderate pressure and room temperature. Fullerenes Nanotubes and Carbon Nanostructures, 2020, vol. 28, no. 8, pp. 663—670. DOI: 10.1080/1536383X.2020.1738396Manut A., Zoolfakar A. S., Mamat M. H., Ab Ghani N. S., Zolkapli M. Characterization of titanium dioxide (TiO2) nanotubes for resistive-type humidity sensor // IEEE International Conference on Semiconductor Electronics, Proceedings (ICSE). Vietnam, 2020. P. 104—107. DOI: 10.1109/ICSE49846.2020.9166854Manut A., Zoolfakar A. S., Mamat M. H., Ab Ghani N. S., Zolkapli M. Characterization of titanium dioxide (TiO2) nanotubes for resistive-type humidity sensor. IEEE International Conference on Semiconductor Electronics, Proceedings (ICSE). Vietnam, 2020, pp. 104—107. DOI: 10.1109/ICSE49846.2020.9166854Aydın M. T. A., Hoşgün H. L. Hydrothermal synthesis and characterization of vanadium-doped titanium dioxide nanotubes // Journal of the Australian Ceramic Society. 2020. V. 56, N 2. P. 645—651. DOI: 10.1007/s41779-019-00382-yAydın M. T. A., Hoşgün H. L. Hydrothermal synthesis and characterization of vanadium-doped titanium dioxide nanotubes. Journal of the Australian Ceramic Society, 2020, vol. 56, no. 2, pp. 645—651. DOI: 10.1007/s41779-019-00382-yHussain R. A., Hussain I. Metal telluride nanotubes: Synthesis, and applications // Materials Chemistry and Physics. 2020. V. 256. P. 123691. DOI: 10.1016/j.matchemphys.2020.123691Hussain R. A., Hussain I. Metal telluride nanotubes: Synthesis, and applications. Materials Chemistry and Physics, 2020, vol. 256, p. 123691. DOI: 10.1016/j.matchemphys.2020.123691Fujisawa K., Hayashi T., Endo M., Terrones M., Kim J. H., Kim Y.A. Effect of boron doping on the electrical conductivity of metallicity-separated single walled carbon nanotubes // Nanoscale. 2018. V. 10, N 26. P. 12723—12733. DOI: 10.1039/c8nr02323aFujisawa K., Hayashi T., Endo M., Terrones M., Kim J. H., Kim Y. A. Effect of boron doping on the electrical conductivity of metallicity-separated single walled carbon nanotubes. Nanoscale, 2018, vol. 10, no. 26, pp. 12723—12733. DOI: 10.1039/c8nr02323aLiu Y., Khavrus V., Lehmann T., Yang H.-L., Stepien L., Greifzu M., Oswald S., Gemming T., Bezugly V., Cuniberti G. Boron-doped single-walled carbon nanotubes with enhanced thermoelectric power factor for flexible thermoelectric devices // ACS Applied Energy Materials. 2020. V. 3, N 3. P. 2556—2564. DOI: 10.1021/acsaem.9b02243Liu Y., Khavrus V., Lehmann T., Yang H.-L., Stepien L., Greifzu M., Oswald S., Gemming T., Bezugly V., Cuniberti G. Boron-doped single-walled carbon nanotubes with enhanced thermoelectric power factor for flexible thermoelectric devices. ACS Applied Energy Materials, 2020, vol. 3, no. 3, pp. 2556—2564. DOI: 10.1021/acsaem.9b02243Fakhrabadi M. M. S., Allahverdizadeh A., Norouzifard V., Dadashzadeh B. Effects of boron doping on mechanical properties and thermal conductivities of carbon nanotubes // Solid State Communications. 2012. V. 152, N 21. P. 1973—1979. DOI: 10.1016/j.ssc.2012.08.003Fakhrabadi M. M. S., Allahverdizadeh A., Norouzifard V., Dadashzadeh B. Effects of boron doping on mechanical properties and thermal conductivities of carbon nanotubes. Solid State Communications, 2012, vol. 152, no. 21, pp. 1973—1979. DOI: 10.1016/j.ssc.2012.08.003Rubio A. Formation and electronic properties of BC3 single-wall nanotubes upon boron substitution of carbon nanotubes // Physics Revier Series B. Condenced Matter. 2004. V. 69. P. 245403. DOI: 10.1103/PhysRevB.69.245403Rubio A. Formation and electronic properties of BC3 single-wall nanotubes upon boron substitution of carbon nanotubes. Physics Revier Series B. Condenced Matter, 2004, vol. 69, p. 245403. DOI: 10.1103/PhysRevB.69.245403Debnarayan J., 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. V. 58. P. 565. DOI: 10.1016/j.pmatsci.2013.01.003Debnarayan J., 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, p. 565. DOI: 10.1016/j.pmatsci.2013.01.003Boroznina N. P., Boroznin S. V., Zaporotskova I. V., Kozhitov L. V., Popkova A. V. On the practicability of sensors based on surface carboxylated boron-carbon nanotubes // Russian Journal of Inorganic Chemistry. 2019. V. 64, N 1. P. 74—78. DOI: 10.1134/S0036023619010029Boroznina N. P., Boroznin S. V., Zaporotskova I. V., Kozhitov L. V., Popkova A. V. On the practicability of sensors based on surface carboxylated boron-carbon nanotubes. Russian Journal of Inorganic Chemistry, 2019, vol. 64, no. 1, pp. 74—78. DOI: 10.1134/S0036023619010029Boroznina N. P., Zaporotskova I. V., Boroznin S. V., Dryuchkov E. S. Sensors based on amino group surface-modified CNTs // Chemosensors. 2019. V. 7, N 1. P. 11. DOI: 10.3390/CHEMOSENSORS7010011Boroznina N. P., Zaporotskova I. V., Boroznin S. V., Dryuchkov E. S. Sensors based on amino group surface-modified CNTs. Chemosensors, 2019, vol. 7, no. 1, p. 11. DOI: 10.3390/CHEMOSENSORS7010011Koch W., Holthausen M. C. A Chemist's Guide to Density Functional Theory. Weinheim: Wiley-VCH, 2001. 294 p.Koch W., Holthausen M. C. A Chemist's Guide to Density Functional Theory. Weinheim: Wiley-VCH, 2001, 294 p.Rassolov V. A., Ratner M. A., Pople J. A., Redfern P. C., Curtiss L. A. J. 6-31G* basis set for third-row atoms // Journal of Computational Chemistry. 2001. V. 22, N 9. P. 976—984. DOI: 10.1002/jcc.1058Rassolov V. A., Ratner M. A., Pople J. A., Redfern P. C., Curtiss L. A. J. 6-31G* basis set for third-row atoms. Journal of Computational Chemistry, 2001, vol. 22, no. 9, pp. 976—984. DOI: 10.1002/jcc.1058

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