Интеркалированные атомами металлов углеродные нанотрубки с примесными атомами бора, как базис для создания нанопроводов: теоретические исследования

Углеродные нанотрубки являются одним из востребованных в настоящее время материалов нанотехнологии. Но вопрос управления их физико-химическими свойствами, в частности, для создания нанопроводов путем интеркалирования в них металлических атомов, до сих пор окончательно не изучен. При этом существует эффективный способ контроля электронно-энергетических характеристик — введение примесных атомов. Наиболее эффективным среди данного класса замещающих элементов оказывается бор. Поэтому целью данной статьи является изучение возможности внутреннего заполнения углеродных нанотрубок с примесными атомами бора различными атомами металлов и определение роли его концентрации на происходящие при этом явления. С применением теории функционала плотности был проведен модельный эксперимент по внедрению в полость нанотрубки атомов алюминия, а также щелочных металлов — лития, натрия и калия. Модельный эксперимент показал, что во всех случаях имеет место образование стабильного адсорбционного комплекса, который может считаться моделью нанопровода при множественном заполнении атомами, между нанотрубкой и атомами металла. При этом было обнаружено, что при образовании комплексных соединений «нанотрубка — атом металла» происходит перераспределние электронной плотности в системе, а именно ее смещение от атомов В металлов на поверхность нанотрубки, что приводит к образованию дополнительных носителей зарядов, перешедших от донора. Также анализ электронно-энергетического строения позволил установить, что при интеркалировании атомов металлов происходит сужение запрещенной зоны для ВС₃ нанотрубок. Данный вывод крайне важен для нужд наноэлектроники, поскольку позволяет предсказать более эффективное использование именно углеродных нанотрубок с большей концентрацией примесных атомов бора для создания наноустройств за счет появления в них отличных от чистых наноструктур проводящих свойств, выражающихся в появлении дополнительных носителей заряда.

1. Boroznin S.V., Zaporotskova I.V., Boroznina E.V., Polikarpov D.I., Polikarpova N.P. Hydrogenation of boron-carbon nanotubes. Nanoscience and Nanotechnology Letters. 2013; 5(11): 1195—1200. https://doi.org/10.1166/nnl.2013.1694

2. Iwai Y., Hirose M., Kano R., Kawasaki S., Hattori Y., Takahashi K. Synthesis and structural characterization of alkali-metal intercalated single-walled carbon nanotubes. Journal of Physics and Chemistry of Solids. 2008; 69 (5-6): 1199—1202. https://doi.org/10.1016/j.jpcs.2007.10.035

3. Zhang C., Yan Y., Sheng Zhao Y., Yao J. Synthesis and applications of organic nanorods, nanowires and nanotubes. Annual Reports on the Progress of Chemistry – Section C. 2013; 109: 211—239. https://doi.org/10.1039/c3pc90002a

4. Dasgupta N.P., Sun J., Liu C., Brittman S., Andrews S.C., Lim J., Yang P. 25th anniversary article: Semiconductor nanowires — synthesis, characterization, and applications. Advanced Materials. 2014; 26 (14): 2137—2184. https://doi.org/10.1002/adma.201305929

5. Velea A., Opsomer K., Devulder W., Dumortier J., Fan J., Detavernier C., Govoreanu B. Te-based chalcogenide materials for selector applications. Scientific Reports. 2017; 7(1): 8103. https://doi.org/10.1038/s41598-017-08251-z

6. Matthews P.D., McNaughter P.D., Lewis D.J., O’Brien P. Shining a light on transition metal chalcogenides for sustainable photovoltaics. Chemical Science. 2017; 8(6): 4177—4187. https://doi.org/10.1039/c7sc00642j

7. Jing Y., Liu B., Zhu X., Ouyang F., Sun J., Zhou Y. Tunable electronic structure of two-dimensional transition metal chalcogenides for optoelectronic applications. Nanophotonics. 2020; 9(7): 1675—1694. https://doi.org/10.1515/nanoph-2019-0574

8. Jia T., Feng Z., Guo S., Zhang X., Zhang Y. Screening promising thermoelectric materials in binary chalcogenides through high-throughput computations. ACS Applied Materials and Interfaces. 2020; 12(10): 11852—11864. https://doi.org/10.1021/acsami.9b23297

9. Gao M., Xu Y., Jiang J., Yu S. Nanostructured metal chalcogenides: Synthesis, modification, and applications in energy conversion and storage devices. Chemical Society Reviews. 2013; 42(7): 2986—3017. https://doi.org/10.1039/c2cs35310e

10. Запороцкова И.В. Нанотубулярные структуры: строение, свойства и перспективы. Нано- и микросистемная техника. 2005; (10): 7—18. https://www.elibrary.ru/hevcbn

11. Dul S., Gutierrez B.J.A., Pegoretti A., Alvarez-Quintana J., Fambri L. 3D printing of ABS nanocomposites. comparison of processing and effects of multi-wall and single-wall carbon nanotubes on thermal, mechanical and electrical properties. Journal of Materials Science and Technology. 2022; 121: 52—66. https://doi.org/10.1016/j.jmst.2021.11.064

12. Xia F., Xia T., Xiang L., Liu F., Jia W., Liang X., Hu Y. High-performance carbon nanotube-based transient complementary electronics. ACS Applied Materials and Interfaces. 2022; 14(10): 12515—12522. https://doi.org/10.1021/acsami.1c23134

13. Faulques E., Kalashnyk N., Slade C.A., Sanchez A.M., Sloan J., Ivanov V.G.. Vibrational and electronic structures of tin selenide nanowires confined inside carbon nanotubes. Synthetic Metals. 2022; 284: 116968. https://doi.org/10.1016/j.synthmet.2021.116968

14. Nagata M., Shukla S., Nakanishi Y., Liu Z., Lin Y., Shiga T., Shinohara H. Isolation of single-wired transition-metal monochalcogenides by carbon nanotubes. Nano Letters. 2019; 19(8): 4845—4851. https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.8b05074

15. Sawant S.V., Patwardhan A.W., Joshi J.B., Dasgupta K. Boron doped carbon nanotubes: Synthesis, characterization and emerging applications – A review. Chemical Engineering Journal. 2022; 427. https://doi.org/10.1016/j.cej.2021.131616

16. Dyachkov P.N., Kutlubaev D.Z., Makaev D.V. Electronic structure of carbon nanotubes with point impurity. Journal of Inorganic Chemistry. 2011; 56(8): 1371—1375. https://doi.org/10.1134/S0036023611080146

17. D’yachkov P.N., Kutlubaev D.Z., Makaev D.V. Linear augmented cylindrical wave Green’s function method for electronic structure of nanotubes with substitutional impurities. Physical Review B. 2010; 82: 035426. https://doi.org/10.1103/physrevb.82.035426

18. Zaporotskova I.V., Dryuchkov E.S., Boroznina N.P., Kozhitov L.V., Popkova A.V. Surface-modified boron-carbon BC5 nanotube with amine group as a sensor device element: Theoretical research. Russian Microelectronics. 2021; 50(8): 644—648. https://doi.org/10.1134/S1063739721080096

19. Zaporotskova I.V., Dryuchkov E.S., Vilkeeva D.E. Surface carboxylation of a boron-carbon bc5 nanotube in the development of sensor devices. Key Engineering Materials. 2021; 887: 23—27. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/KEM.887.23

20. Запороцкова И.В., Прокофьева Е.В., Запороцкова Н.П., Прокофьева О.Ю., Борознин С.В. Нанопровода на основе интеркалированных атомами легких и переходных металлов углеродных нанотрубок. Физика волновых процессов и радиотехнические системы. 2010; 13(4): 87—95. https://www.elibrary.ru/ncvhkv

21. Борознин С.В., Перевалова Е.В., Запороцкова И.В., Поликарпов Д.И. Электронное строение и характеристики некоторых видов борсодержащих нанотруб. Вестник Волгоградского государственного университета. Серия 10: Инновационная деятельность. 2012; (6): 81—86. https://www.elibrary.ru/peuepl

22. Boroznin S.V., Streltsova D.V., Zaporotskova I.V. Investigation of BC5 nanotube interaction with alkaline metal atoms. AIP Conference Proceedings. 2019; 2174: 020011. https://doi.org/10.1063/1.5134162