Теоретические исследования металлокомпозита на основе монослоя пиролизованного полиакрилонитрила, содержащего парные атомы металлов Fe—Co, Ni—Co, Fe—Ni и аморфизирующую присадку кремния

Актуальной проблемой современной радиотехники и радиоэлектроники является создание композитных материалов с заданными характеристиками, которые могут быть использованы в качестве материалов электронной техники. Особый интерес вызывают исследования в области разработки широкополосных поглотителей электромагнитного излучения в СВЧ-диапазоне. Для этого изучаются материалы, способные эффективно поглощать и отражать падающую волну, обладающие четко выраженной наноструктурой, на основе ферромагнитных металлов. Создание нанокапсулированных металлов позволит управлять характеристиками получаемого материала. Для этого применяют полимерные матицы, в качестве одной из которых может быть использован пиролизованный полиакрилонитрил (ППАН). Представлены результаты теоретического исследования модели монослоя ППАН, содержащего пары атомов переходных металлов железа, никеля и кобальта, обладающих ферромагнитными свойствами, в сочетаниях Fe—Co, Ni—Co и Fe—Ni, с добавлением аморфизирующей присадки кремния. Исследована геометрическая структура металлокомпозитных систем, модель которых представляет собой молекулярные кластеры ППАН, из центров которых удалены шесть атомов основного вещества и в образовавшиеся дефекты (так называемые поры) помещены пары изучаемых атомов металлов. Обнаружено искривление монослоя, содержащего металлы, по сравнению с изначально планарным монослоем ППАН. Построены одноэлектронные спектры композитных наносистем и проанализирована ширина их запрещенной щели. Установлено, что присутствие атомов металлов приводит к уменьшению ширины запрещенной щели металлокомпозита по сравнению с чистым ППАН. Определены заряды металлов и зафиксирован факт переноса электронной плотности от атомов металлов к соседним с ними атомам монослоя ППАН. Вычислена средняя энергия связи рассмотренных металлокомпозитных систем и доказана их стабильность. Исследования проводились с использованием метода DFT (теория функционала плотности) с функционалом B3LYP и базисом 6-31G(d).

1. Кожитов Л. В., Козлов В. В., Костикова А. В., Попкова А. В. Новые металлоуглеродные нанокомпозиты и углеродный нанокристаллический материал с перспективными свойствами для развития электроники // Известия вузов: Материалы электронной техники. 2012. № 3. С. 59—67. DOI: 10.17073/1609-3577-2012-3-59-67

2. Муратов Д. Г., Якушко Е. В., Кожитов Л. В., Попкова А. В., Пушкарев М. А. Формирование нанокомпозитов Ni/C на основе полиакрилонитрила под действием ИК-излучения // Известия высших учебных заведений. Материалы электронной техники. 2013. № 1. С. 61—65. DOI: 10.17073/1609-3577-2013-1-61-65

3. Запороцкова И. В., Аникеев Н. А., Кожитов Л. В., Попкова А. В. Исследование процесса гидрогенизации однослойного и двухслойного пиролизованного полиакрилонитрила // Известия вузов. Материалы электронной техники. 2013. № 3. С. 34—38. DOI: 10.17073/1609-3577-2013-3-34-38

4. Kozhitov L. V., Kozlov V. V., Kostikova A. V., Popkova A. V. Novel metal carbon nanocomposites and carbon nanocrystalline material with promising properties for the development of electronics // Russian Microelectronics. 2013. V. 42, N 8. P. 498—507. DOI: 10.1134/S1063739713080088

5. Bulatov M. F., Kozitov L. V., Muratov D. G., Karpacheva G. P., Popkova A. V. The magnetic properties of nanocomposites Fe-Co/C based on polyacrylonitrile // J. Nanoelectron. Optoelectron. 2015. V. 9, N 6. P. 828—833. DOI: 10.1166/jno.2014.1682

6. Alonso F., Riente P., Rodríguez-Reinoso F., Ruiz-Martínez J., Sepúlveda-Escribano A., Yus M. A highly reusable carbon-supported platinum catalyst for the hydrogen-transfer reduction of ketones // ChemCatChem. 2009. V. 1, Iss. 1. P. 75—77. DOI: 10.1002/cctc.200900045

7. Ряшенцева М. А. Егорова Е. В., Трусов А. И., Нугманов Е. Р., Антонюк С. Н. Применение металлоуглеродных катализаторов в процессах превращения низших алифатических спиртов // Успехи химии, 2006, Т. 75, № 11. С. 1119—1132.

8. Ефимов М. Н., Земцов Л. М., Карпачева Г. П., Ермилова М. М., Орехова Н. В., Терещенко Г. Ф., Дзидзигури Э. Л., Сидорова Е. Н. Получение и структура каталитических нанокомпозитных углеродных материалов, содержащих металлы платиновой группы // Вестн. МИТХТ им. М. В. Ломоносова. 2008. Т. 3, № 1. С. 68—71.

9. Лыньков Л. М., Борботько Т. В., Криштопова Е. А. Радиопоглощающие свойства никельсодержащего порошкообразного шунгита // Письма в ЖТФ. 2009. Т. 35, № 9. С. 44—48. URL: https://journals.ioffe.ru/articles/viewPDF/12219

10. Zhou Jianhua, He Jianping, Wang Fao, Li Guoxian, Guo lunxm, Zhao Jianging, Ma Yiou. Design of mesostrucred -Fe2O3/carbon nanocomposites for electromagnetic wave absorption applications // J. Alloys and Compounds. 2011. V. 509, Iss. 32. P. 8211—8214. DOI: 10.1016/j.jallcom.2011.05.042

11. Yong Yang, Cailing Xu, Yongxin Xia, Tao Wang, Fashen Li. Synthesis and microwave absorption properties of FeCo nanoplates // J. Alloys and Compounds. 2010. V. 493, Iss. 1–2. P. 549—552. DOI: 10.1016/j.jallcom.2009.12.153

12. Patent WO9610901A1 (US). Metal filaments for electro-magnetic interference shielding / CHUNG, Deborah, Duen, Ling, 1996.

13. Основы физики магнитных явлений в кристаллах: учебное пособие. Киев: НТУУ «КПИ», 2004. 227 с.

14. Vázquez E., Prato M. Carbon nanotubes and microwaves: interactions, responses, and applications // Acs Nano. 2009. V. 3, N 12. P. 3819—3824. DOI: 10.1021/nn901604j

15. Moradi A. Microwave response of magnetized hydrogen plasma in carbon nanotubes: multiple reflection effects // Appl. Opt. 2010. V. 49, N 10. P. 1728—1733. DOI: 10.1364/AO.49.001728

16. Kawabata A., Kubo R. Electronic properties of fine metallic particles. II. Plasma resonance absorption // J. Phys. Soc. Jpn. 1966. V. 21, N 9. P. 1765—1772. DOI: 10.1143/JPSJ.21.1765

17. Hong Zhu, Lan Zhang, Lizi Zhang, Yuan Song, Yi Huang, Yongming Zhang. Electromagnetic absorption properties of Sn-filled multi-walled carbon nanotubes synthesized by pyrolyzing // Materials Lett. 2010. V. 64, Iss. 3. P. 227—230. DOI: 10.1016/j.matlet.2009.07.023

18. Ануфриева С. И., Ожигина Е. Г., Рогожин А. А. Минералого-технические особенности шунгитового сырья, определяющие выбор эффективных направлений создания новых материалов // Материалы Всероссийского минералогического семинара с международным участием «Геоматериалы для высоких технологий, алмазы, благородные металлы, самоцветы Тимано-Североуральского региона» Сыктывкар: Геопринт, 2010. C. 31—32.

19. Buseck P. R. Geological fullerenes: review and analysis // Earth and Planetary Science Letters. 2002. V. 203, N 3–4. P. 781—792. DOI: 10.1016/S0012-821X(02)00819-1

20. Mossman D., Eigendorf G., Tokaryk D., Gauthier-Lafaye F., Guckert K. D., Melezhik V., Farrow C. E. Testing for fullerenes in geologic materials: Oklo carbonaceous substances, Karelian shungites, Sudbury Black Tuff // Geology. 2003. V. 31, N 3. P. 255—258. DOI: 10.1130/0091-7613(2003)031<0255:TFFIGM>2.0.CO;2

21. Третьяков Ю. Д., Гудилин Е. А. Основные направления фундаментальных и ориентированных исследований в области наноматериалов // Успехи химии. 2009. T. 78, № 9. С. 867—888.

22. Bahl O. P., Manocha L. M. Characterization of oxidized PAN fibers // Carbon. 1974. V. 12, Iss. 4. P. 417—423. DOI: 10.1016/0008-6223(74)90007-4

23. Zaporotskova I. V., Anikeev N. A., Kojitov L. V., Davletova O. A., Popkova A. V. Theoretical studies of the structure of the metal-carbon composites on the base of acryle-nitrile nanopolimer // J. Nano- Electron. Phys. 2014. V. 6, N 3. P. 03035-1—03035-3. URI http://essuir.sumdu.edu.ua/handle/123456789/36281

24. Wangxi Z, Jie L, Gang W. Evolution of structure and properties of PAN precursors during their conversion to carbon fibers // Carbon. 2003. V. 41, Iss. 14. P. 2805—2812. DOI: 10.1016/S0008-6223(03)00391-9

25. Sanchez-Soto P. J., Aviles M. A., del Rio J. C., Gines J. M., Pascual J., Perez- Rodriguez J. L. Thermal study of the effect of several solvents on polymerization of acrylonitrile and their subsequent pyrolysis // J. Anal. Appl. Pyrolysis. 2001. V. 58–59. P. 155—172. DOI: 10.1016/S0165-2370(00)00203-5

26. Запороцкова И. В. Пиролизованный полиакрилонитрил и некоторые композиты на его основе: особенности получения, структуры и свойств. Волгоград: Изд-во Волгогр. гос. ун-та, 2016. 220 с.

27. Муратов Д. Г., Кожитов Л. В., Запороцкова И. В., Сонькин В. С., Борознина Н. П., Подкова А. В., Борознин С. В., Шадринов А. В. Синтез и свойства наночастиц, сплавов и композиционных наноматериалов на основе переходных металлов. Волгоград: Изд-во Волгогр. гос. ун-та, 2017. 650 с.

28. Запороцкова И. В., Кожитов Л. В., Аникеев Н. А., Давлетова О. А., Муратов Д. Г., Попкова А. В., Якушко Е. В. Металлоуглеродные нанокомпозиты на основе пиролизованного полиакрилонитрила // Известия вузов. Материалы электронной техники. 2014. Т. 17, № 2. С. 134—142. DOI: 10.17073/1609-3577-2014-2-134-142

29. Матренин С. В., Овечкин Б. Б. Наноструктурные материалы в машиностроении: учебное пособие. Томск: Изд-во Томского политех. ун-та, 2009. 186 с.

30. Basis Sets. URL: http://gaussian.com/basissets/ (дата обращения: 23.09.2020).

31. Радченко Р. Д., Запороцкова И. В., Кожитов Л. В., Борознина Н. П. Теоретические исследования металлокомпозита на основе монослоя пиролизованного полиакрилнитрила, содержащего парные атомы металлов Cu-Co, Cu-Ni, Ni-Co, Fe-Ni // Сборник трудов по материалам VI Международной конференции и молодежной школы «Информационные технологии и нанотехнологии (ИТНТ-2020)». В 4-х томах / под ред. В. А. Соболева. Самара: Изд-во Самар. ун-та, 2020. Т. 3. C. 559—564.

32. Ditchfield R., Hehre W. J., Pople J. A. Self-consistent molecular orbital methods. IX. Extended Gaussian-type basis for molecular-orbital studies of organic molecules // J. Chem. Phys. 1971. V. 54, Iss. 2. P. 724. DOI: 10.1063/1.1674902

33. Rassolov V. A., Ratner M. A., Pople J. A., Redfern P. C., Curtiss L. A. 6-31G* basis set for third-row atoms // J. Comp. Chem. 2001. V. 22, Iss. 9. P. 976—984. DOI: 10.1002/jcc.1058

34. Ackerbauer S., Krendelsberger N., Weitzer F., Hiebl K., Schuster J. C. The constitution of the ternary system Fe–Ni–Si // Intermetallics. 2009. V. 17, Iss. 6. P. 414—420. DOI: 10.1016/j.intermet.2008.11.016

35. Cioslowski J. A new population analysis based on atomic polar tensors // J. Am. Chem. Soc. 1989. V. 111, N 22. P. 8333—8336. DOI: 10.1021/ja00204a001