Моделирование полиморфных разновидностей гексагонального графена, функционализированного гидроксильными группами
М.Е. Беленков, В.М. Чернов
ФГБОУ ВО «Челябинский государственный университет»
DOI: 10.26456/pcascnn/2021.13.541
Оригинальная статья
Аннотация: Моделирование кристаллической и электронной структуры слоев гексагонального графена, на поверхность которых были химически адсорбированы гидроксильные группы, было выполнено методом теории функционала плотности. В результате расчетов была установлена возможность устойчивого существования пяти структурных разновидностей COH–L6 слоев. Слоевая плотность изменяется от 1,62 до 1,72 мг/м2. Длина водород-кислородной связи варьируется в диапазоне от 1,046 до 1,079 Å, а углерод-кислородной связи – от 1,455 до 1,465 Å. Ориентация O–H связей относительно плоскости слоев может варьироваться в зависимости от выбора элементарной ячейки слоя. Минимальной энергией сублимации и равной 18,69 эВ/(COH) обладает слой COH–L6–T4, а максимальную энергию сублимации 18,93 эВ/(COH) имеет слой COH–L6–T1. Электронная структура всех COH слоев характеризуется наличием прямой запрещенной зоны на уровне энергии Ферми, изменяющейся в диапазоне от 3,02 до 4,56 эВ.
Ключевые слова: графен, химическая адсорбция, гидроксильные группы, ab initio расчеты, кристаллическая структура, электронные свойства, полиморфизм
- Беленков Максим Евгеньевич – аспирант третьего года обучения кафедры радиофизики и электроники, физический факультет, ФГБОУ ВО «Челябинский государственный университет»
- Чернов Владимир Михайлович – д.ф.-м.н., профессор кафедры радиофизики и электроники, физический факультет, ФГБОУ ВО «Челябинский государственный университет»
Ссылка на статью:
Беленков, М.Е. Моделирование полиморфных разновидностей гексагонального графена, функционализированного гидроксильными группами / М.Е. Беленков, В.М. Чернов // Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. — 2021. — Вып. 13. — С. 541-551. DOI: 10.26456/pcascnn/2021.13.541.
Полный текст: загрузить PDF файл
Библиографический список:
1. Kawai, S. Atomically controlled substitutional boron-doping of graphene nanoribbons / S. Kawai, S. Saito, S. Osumi et al. // Nature Communications. – 2015. – V. 6. – Art. № 8098. – 6 p. DOI: 10.1038/ncomms9098.
2. Lu, G. Semiconducting graphene: converting graphene from semimetal to semiconductor / G. Lu, K. Yu, Z. Wena // Nanoscale. – 2013. – V. 5. – I. 4. – P. 1353-1368. DOI: 10.1039/C2NR32453A.
3. Bistritzer, R. Moiré dands in twisted double-layer graphene / R. Bistritzer, A.H. MacDonald // PNAS. – 2011. – V. 108. – I. 30. – P. 12233-12237. DOI: 10.1073/pnas.1108174108.
4. Brzhezinskaya, M. Engineering of numerous Moiré superlattices in twisted multilayer graphene for twistronics and straintronics applications / M. Brzhezinskaya, O. Kononenko, V. Matveev et al. // ACS Nano. – 2021. – V. 15. – I. 7. – P. 12358-12366. DOI: 10.1021/acsnano.1c04286.
5. Belenkov, M.E. Graphene polymorphs / M.E. Belenkov, A.E. Kochengin, V.M. Chernov, E.A. Belenkov // IOP Journal of Physics: Conference Series. – 2019. – V. 1399. – I. 2. – Art. № 022024. – 5 p. DOI: 10.1088/1742-6596/1399/2/022024.
6. Stergiou, A. Functionalized graphene and targeted applications – Highlighting the road from chemistry to applications / A. Stergiou, R. Cantón-Vitoria, M.N. Psarrou, S.P. Economopoulos, N. Tagmatarchis // Progress in Materials Science. – 2020. – V. 114. – Art. № 100683. – 71 p. DOI: 10.1016/j.pmatsci.2020.100683.
7. Duran, Y. Electronic structures, bonding configurations, and band-gap-opening properties of graphene binding with low-concentration fluorine / Y. Duan, C.D. Stinespring, B. Chorpening // Chemistry Open. – 2015. – V. 4. – I. 5. – P. 642-650. DOI: 10.1002/open.201500074.
8. Belenkov, M.E. Dependence of the electronic and crystal structure of a functionalized graphene on the concentration of chemically adsorbed fluorine / M.E. Belenkov, V.M. Chernov // Nanosystems: physics, chemistry, mathematics. – 2020. – V. 11. – I. 6. – P. 685-689. DOI: 10.17586/2220-8054-2020-11-6-685-689.
9. Савин, А.В. Стационарные состояния односторонне гидрированных листов графена, расположенных на плоских подложках / А.В. Савин // Физика твердого тела. – 2020. – Т. 62. – Вып. 3. – С. 502-507. DOI: 10.21883/FTT.2020.03.49019.560.
10. Belenkov, E.A. Scroll structure of carbon nanotubes obtained by the hydrothermal synthesis / E.A. Belenkov, F.K. Shabiev // Letters on Materials. – 2015. – V. 5. – № 4. – P. 459-462. DOI: 10.22226/2410- 3535-2015-4-459-462.
11. Elias, D.C. Control of graphene's properties by reversible hydrogenation: evidence for graphane / D.C. Elias, R.R. Nair, T.M. Mohiuddin et al. // Science. – 2009. – V. 323. – I. 5914. – P. 610-613. DOI: 10.1126/science.1167130.
12. Nair, R.R. Fluorographene: a two-dimensional counterpart of teflon / R.R. Nair, W. Ren, R. Jalil et al. // Small. – 2010. – V. 6. – I. 24. – P. 2877-2884. DOI: 10.1002/smll.201001555.
13. Chen, D. Graphene oxide: preparation, functionalization, and electrochemical applications / D. Chen, H. Feng, J. Li // Chemical Reviews. – 2012. – V. 112. – I. 11. – P. 6027-6053. DOI: 10.1021/cr300115g.
14. Li, B. Photochemical chlorination of graphene / B. Li, L. Zhou, D. Wu et al. // ACS Nano. – 2011. – V. 5. – I. 7. – P. 5957-5961. DOI: 10.1021/nn201731t.
15. Rabchinskii, M.K. Modulating nitrogen species via N-doping and post annealing of graphene derivatives: XPS and XAS examination / M.K. Rabchinskii, S.D. Saveliev, D.Yu. Stolyarova, M. Brzhezinskaya et al. // Carbon. – 2021. – V. 182. – P. 593-604. DOI: 10.1016/j.carbon.2021.06.057.
16. Lee, D. Three-dimensionally networked graphene hydroxide with giant pores and its application in supercapacitors / D. Lee, J. Seo // Scientific Reports. – 2014. – V. 4. – Art. № 7419. – 6 p. DOI: 10.1038/srep07419.
17. Wen, X.D. Graphane sheets and crystals under pressure / X.D. Wen, L. Hand, V. Labet et al. // PNAS. – 2011. – V. 108. – I. 17. – P. 6833-6837. DOI: 10.1073/pnas.1103145108.
18. Беленкова, Т.Е. Полиморфные разновидности графана / Т.Е. Беленкова, В.М. Чернов, Е.А. Беленков // РЭНСИТ. – 2016. – Т. 8. – № 1. – C. 49-54. DOI: 10.17725/rensit.2016.08.049.
19. Беленков, М.Е. Структура и электронные свойства полиморфных разновидностей фторографена / М.Е. Беленков, В.М. Чернов, Е.А. Беленков // Челябинский физико-математический журнал. – 2018. – Т. 3. – Вып. 2. – С. 202-211. DOI: 10.24411/2500-0101-2018-13206.
20. Belenkov, M.E. Structure of fluorographene and its polymorphous varieties / M.E. Belenkov, V.M. Chernov, E.A. Belenkov // IOP Journal of Physics: Conference Series. – 2018. – V. 1124. – I. 2. – Art. № 022010. – 6 p. DOI: 10.1088/1742-6596/1124/2/022010.
21. Koch, W. A chemist’s guide to density functional theory / W. Koch, M.C. Holthausen. – 2nd ed. – Weinheim – New York – Chichester – Brisbane – Singapore – Totonto: Wiley-VCH Verlag GmbH, 2001. – 313 p. DOI: 10.1002/3527600043.
22. Langreth, D.C. Beyond the local-density approximation in calculations of ground-state electronic properties / D.C. Langreth, M.J. Mehl // Physical Review B. – 1983. – V. 28. – I. 4. – P. 1809-1834. DOI: 10.1103/PhysRevB.28.1809.
23. Giannozzi, P. QUANTUM ESPRESSO: a modular and open-source software project for quantum simulations of materials / P. Giannozzi, S. Baroni, N. Bonini et al. // Journal of Physics: Condensed Matter. – 2009. – V. 21. – №. 39. – P. 395502-1-395502-19. DOI: 10.1088/0953-8984/21/39/395502.