Preview

Известия высших учебных заведений. Материалы электронной техники

Расширенный поиск

Поверхностно-модифицированная аминной группой бороуглеродная BC5 нанотрубка как элемент сенсорного устройства: теоретические исследования

https://doi.org/10.17073/1609-3577-2020-4-

Аннотация

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 1,6 Å (при модификации как на поверхностный атом углерода, так и на атом бора), а к БУНТ типа (6, 6) – на расстоянии 1,6 Å при присоединении группы к атому углерода и 1,7 Å 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.

Об авторах

И. В. Запороцкова
Волгоградский государственный университет
Россия

Запороцкова Ирина Владимировна

директор института приоритетных технологий; доктор физико-математических наук; профессор



Е. С. Дрючков
Волгоградский государственный университет
Россия

Дрючков Евгений Сергеевич

аспирант



Н. П. Борознина
Волгоградский государственный университет
Россия

Наталья Павловна Борознина — Волгоградский государственный университет; доктор физико-математических наук; профессор



Л. В. Кожитов
Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС»
Россия

Лев Васильевич Кожитов; Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС»; доктор технических наук, профессор



А. В. Попкова
ФГУП «НИИ НПО «ЛУЧ»

Алёна Васильевна Попкова — старший научный сотрудник



Список литературы

1. Dresselhaus, M. S. Science of Fullerenes and Carbon Nanotubes / M. S. Dresselhaus, G. Dresselhaus, P. C. Eklund. – Academic Press, Inc., 1996. – 965 p.

2. Saito, R. Physical properties of carbon nanotubes / R. Saito, M. S. Dresselhaus, G. Dresselhaus. – Imperial College Press, 1999. – 251 p.

3. Запороцкова, И. В. Углеродные и неуглеродные наноматериалы и композитные структуры на их основе: строение и электронные свойства [Текст]: [монография] / И.В. Запороцкова; Гос. образоват. учреждение высш. проф. образования «Волгогр. гос. ун-т». – Волгоград: Изд-во ВолГУ, 2009. – 490 с.

4. Mohamed, A.E.-M.A., Mohamed, M.A. Carbon nanotubes: Synthesis, characterization, and applications // Carbon Nanomaterials for Agri-food and Environmental Applications. – 2019. – P. 21-32. DOI: 10.1016/B978-0-12-819786-8.00002-5

5. Arunkumar, 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 (4), – P. 452-456. DOI: 10.1080/01430750.2018.1472657

6. Tomilin, 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. V. 28 (2). – P. 123-128. DOI: 10.1080/1536383X.2019.1680978

7. Savin, 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 (2), – P. 279-284. DOI: 10.1134/S1063783419020252

8. Dresselhaus, M. S. Сarbon nanotubes: synthesis, structure, properties, and application / M. S. Dresselhaus, G. Dresselhaus, P. Avouris. – Springer-Verlag, 2000. – 464 p.

9. Дьячков, П. Н. Электронные свойства и применение нанотрубок / П. Н. Дьячков // М.: БИНОМ. Лаборатория знаний. - 2010. –488 с.

10. Wojtkiewicz, J., Brzostowski, B., Pilch, M. Electronic and Optical Properties of Carbon Nanotubes Directed to Their Applications in Solar Cells // Lecture Notes in Computer Science (including subseries Lecture Notes in Artificial Intelligence and Lecture Notes in Bioinformatics), - 2020. - P. 341-349. DOI: 10.1007/978-3-030-43222-5_30

11. Suhito, 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 (1), - P. 1-20. DOI: 10.3390/biomedicines9010015

12. Park, S.H., Bai, S.-J., Song, Y.S. Improved performance of carbon nanotubes embedded photomicrobial solar cell // Nanotechnology. – 2020. V. 31 (11), p. 115401. DOI: 10.1088/1361-6528/ab5b2a;

13. Liu, H., Li, Y. Modified carbon nanotubes for hydrogen storage at moderate pressure and room temperature // (2020) Fullerenes Nanotubes and Carbon Nanostructures. – 2020. V. 28 (8), pp. 663-670. DOI: 10.1080/1536383X.2020.1738396

14. Manut, 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. – 2020. 9166854. – P. 104-107. DOI: 10.1109/ICSE49846.2020.9166854

15. Aydın, 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 (2). – P. 645-651. DOI: 10.1007/s41779-019-00382-y

16. Hussain, R.A., Hussain, I. Metal telluride nanotubes: Synthesis, and applications // Materials Chemistry and Physics. – 2020. V. 256. 123691. DOI: 10.1016/j.matchemphys.2020.123691

17. Fujisawa, 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 (26), pp. 12723-12733. DOI: 10.1039/c8nr02323a

18. Liu, 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 (3), pp. 2556-2564. DOI: 10.1021/acsaem.9b02243

19. Fakhrabadi, 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 (21), pp. 1973-1979. DOI: 10.1016/j.ssc.2012.08.003

20. Rubio A. Formation and electronic properties of BC3 single-wall nanotubes upon boron substitution of carbon nanotubes // Phys. Rev. B. - 2004. - V. 69. - P. 245403. DOI: 10.1103/PhysRevB.69.245403

21. Debnarayan J. Effect of chemical doping of boron and nitrogen on the electronic, optical, and electrochemical properties of carbon nanotubes / J. Debnarayan, C.-L. Sun, L.-C. Chen, K.-H. Chen // Progress in Materials Science. -2013. - V. 58. - P. 565. DOI: 10.1016/j.pmatsci.2013.01.003

22. Boroznina N.P. On the Practicability of Sensors Based on Surface Carboxylated Boron–Carbon Nanotubes / N.P. Boroznina, S.V. Boroznin, I.V. Zaporotskova, L.V. Kozhitov, A.V. Popkova // Russ. J. Inorg. Chem. – 2019. V. 64. - № 1. – P. 74-78. DOI: 10.1134/S0036023619010029

23. N.P. Boroznina, I.V. Zaporotskova, S.V. Boroznin, E.S. Dryuchkov, Sensors Based on Amino Group Surface-Modified CNTs, Chemosensors, 7 (2019) 1-7. DOI: 10.3390/CHEMOSENSORS7010011

24. W. Koch, M. C. Holthausen, A Chemist's Guide to Density Functional Theory, Wiley-VCH. Weinheim. - 2002. - P. 294.

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


Рецензия

Для цитирования:


Запороцкова И.В., Дрючков Е.С., Борознина Н.П., Кожитов Л.В., Попкова А.В. Поверхностно-модифицированная аминной группой бороуглеродная BC5 нанотрубка как элемент сенсорного устройства: теоретические исследования. Известия высших учебных заведений. Материалы электронной техники. 2020;23(4):253-259. https://doi.org/10.17073/1609-3577-2020-4-

Просмотров: 66


Creative Commons License
Контент доступен под лицензией Creative Commons Attribution 4.0 License.


ISSN 1609-3577 (Print)
ISSN 2413-6387 (Online)