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/10.17073/1609-3577-2020-4-253-259

EDN: DVFDJB

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 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.

Об авторах

И. В. Запороцкова
Волгоградский государственный университет
Россия

просп. Университетский, д. 100, Волгоград, 400062

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



Е. С. Дрючков
Волгоградский государственный университет
Россия

просп. Университетский, д. 100, Волгоград, 400062

Дрючков Евгений Сергеевич — аспирант



Н. П. Борознина
Волгоградский государственный университет
Россия

просп. Университетский, д. 100, Волгоград, 400062

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



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

Ленинский просп., д. 4, Москва, 119049

Кожитов Лев Васильевич — доктор техн. наук, профессор



А. В. Попкова
НИИ НПО «ЛУЧ»
Россия

ул. Железнодорожная, д. 24, Подольск, 142103

Попкова Алёна Васильевна — старший научный сотрудник



Список литературы

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

2. Saito R., Dresselhaus M. S., Dresselhaus G. Physical properties of carbon nanotubes. London: Imperial College Press, 1998. 262 p.

3. Запороцкова И. В. Углеродные и неуглеродные наноматериалы и композитные структуры на их основе: строение и электронные свойства. Волгоград: ВолГУ, 2009. 490 с.

4. 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/B978-0-12-819786-8.00002-5

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, N 4. P. 452—456. DOI: 10.1080/01430750.2018.1472657

6. Tomilin 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.2019.1680978

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, N 2. P. 279—284. DOI: 10.1134/S1063783419020252

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

9. Дьячков П. Н. Электронные свойства и применение нанотрубок. 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 // PRAM 2019: Parallel Processing and Applied Mathematics. Poland, 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, N 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, N 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 // Fullerenes Nanotubes and Carbon Nanostructures. 2020. V. 28, N 8. P. 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). Vietnam, 2020. 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, N 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. P. 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, N 26. P. 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, N 3. P. 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, N 21. P. 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 // Physics Revier Series B. Condenced Matter. 2004. V. 69. P. 245403. DOI: 10.1103/PhysRevB.69.245403

21. Debnarayan 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.2013.01.003

22. Boroznina 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/S0036023619010029

23. Boroznina 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/CHEMOSENSORS7010011

24. Koch W., Holthausen M. C. A Chemist's Guide to Density Functional Theory. Weinheim: Wiley-VCH, 2001. 294 p.

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 // Journal of Computational Chemistry. 2001. V. 22, N 9. P. 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/10.17073/1609-3577-2020-4-253-259. EDN: DVFDJB

For citation:


Zaporotskova I.V., Dryuchkov E.S., Boroznina N.P., Kozhitov L.V., Popkova A.V. Surface-modified boroncarbon BC5 nanotube with amine group as a sensor device element: theoretical research. Izvestiya Vysshikh Uchebnykh Zavedenii. Materialy Elektronnoi Tekhniki = Materials of Electronics Engineering. 2020;23(4):253-259. (In Russ.) https://doi.org/10.17073/1609-3577-2020-4-253-259. EDN: DVFDJB

Просмотров: 321


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


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