Взаимодействие атомов титана с поверхностью совершенных и дефектных углеродных нанотрубок

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

Диспергирование атомов металлов по поверхности 1D- и 2D-углеродных систем – наиболее доступный способ управления их свойствами, привлекательными для многих приложений в электронике, энергетике, катализе. В работе методами компьютерного моделирования из первых принципов, базирующимися на теории функционала электронной плотности, исследованы особенности взаимодействия атомов титана с поверхностью углеродных нанотрубок, вызванные присутствием на этих поверхностях структурных дефектов разного рода. Для исследования выбраны нанотрубки (7, 7) и (11, 0) с близкими диаметрами (≈1 нм), но с проводимостью разных типов: металлической и полупроводниковой соответственно. Изучали три вида дефектов: одиночную вакансию, двойную вакансию и топологический дефект. Рассматривали две возможные ориентации дефекта каждого вида относительно оси трубки. В основном использовали базис атомоподобных орбиталей (пакет SIESTA), а в некоторых тестовых расчетах также и базис плоских волн (пакет VASP). Вычислительные эксперименты показали, что энергия связи атомов Ti с бездефектной нанотрубкой всегда меньше, чем с дефектными, независимо от использованного приближения для обменно-корреляционного функционала (LDA или GGA). Значения энергии связи, предсказываемые в приближении LDA, заметно больше, чем в приближении GGA (до ~15% для трубки (7, 7), и до ~50% для трубки (11, 0)). Самая сильная связь возникает при адсорбции титана на нанотрубке с одиночной вакансией; возникающую конфигурацию можно рассматривать как дефект замещения одного атома углерода атомом титана.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

С. А. Созыкин

Южно-Уральский государственный университет

Автор, ответственный за переписку.
Email: sozykinsa@susu.ru
Россия, Челябинск

В. П. Бескачко

Южно-Уральский государственный университет

Email: sozykinsa@susu.ru
Россия, Челябинск

Список литературы

  1. Maheswaran R., Shanmugavel B.P. // J. Electron. Mater. 2022. V. 51. № 6. P. 2786. https://doi.org./10.1007/s11664-022-09516-8
  2. So S.H., Sung S.J., Yang S.J., Park C.R. // Electron. Mater. Lett. 2023. V. 19. № 1. P. 1. https://doi.org./10.1007/s13391-022-00368-2
  3. Mulatu A.T., Nigussa K.N., Deja L.D. // Opt. Mater. 2022. V. 134. P. 113094. https://doi.org./10.1016/j.optmat.2022.113094
  4. Dethan J.F.N., Swamy V. // Int. J. Hydrog. Energy. 2022. V. 47. № 59. P. 24916. https://doi.org./10.1016/j.ijhydene.2022.05.240
  5. Daulbayev C., Lesbayev B., Bakbolat B., Kaidar B., Sultanov F., Yeleuov M., Ustayeva G., Rakhymzhan N. // South African J. Chem. Eng. 2022. V. 39. P. 52. https://doi.org./10.1016/j.sajce.2021.11.008
  6. Zhang Y., Dai H. // Appl. Phys. Lett. 2000. V. 77. № 19. P. 3015. https://doi.org./10.1063/1.1324731
  7. Durgun E., Dag S., Bagci V. M. K., Gulseren O., Yildirim T., Ciraci S. // Phys. Rev. B. 2003. V. 67. P. 201401(R). https://doi.org./10.1103/PhysRevB.67.201401
  8. Liu M., Kutana A., Liu Y., Cui G., Zhang C., Dong N., Chen C., Han P. // J. Phys. Chem. Lett. 2014. V. 5. № 7. P. 1225. https://doi.org./10.1021/jz500199d
  9. Shevlin S.A., Guo Z.X. // J. Phys. Chem. C. 2008. V. 112. № 44. P. 17456. https://doi.org./10.1021/jp800074n
  10. Lee H., Ihm J., Cohen M.L., Louie S.G. // Phys. Rev. B. 2009. V. 80. № 11. P. 115412. https://doi.org./10.1103/PhysRevB.80.115412
  11. Ghosh S., Padmanabhan V. // Diam. Relat. Mater. 2017. V. 77. P. 46. https://doi.org./10.1016/j.diamond.2017.05.013
  12. Yang L., Yu L.L., Wei H.W., Li W.Q., Zhou X., Tian W.Q. // Int. J. Hydrog. Energy. 2019. V. 44. № 5. P. 2960. https://doi.org./10.1016/j.ijhydene.2018.12.028
  13. Soldano C. // Prog. Mater. Sci. 2015. V. 69. P. 183. https://doi.org./10.1016/j.pmatsci.2014.11.001
  14. Sozykin S.A., Beskachko V.P., Vyatkin G.P. // Mater. Sci. Forum. 2016. V. 843. P. 132. https://doi.org./10.4028/www.scientific.net/MSF.843.132
  15. Soler J.M., Artacho E., Gale J.D., Garc A., Junquera J., Ordej P., Daniel S. // J. Phys. Condens. Matter. 2002. V. 14. № 11. P. 2745. https://doi.org./10.1088/0953-8984/14/11/302
  16. Anikina E., Beskachko V. // Bull. South Ural State Univ. Ser. Math. Mech. Phys. 2020. V. 12. № 1. P. 55. https://doi.org./10.14529/mmph200107
  17. Sozykin S.A., Beskachko V.P. // Lett. Mater. 2022. V. 12. № 1. P. 32. https://doi.org./10.22226/2410-3535-2022-1-32-36
  18. Yildirim T., Ciraci S. // Phys. Rev. Lett. 2005. V. 94. № 17. P. 175501. https://doi.org./10.1103/PhysRevLett.94.175501
  19. Omidvar H., Mirzaei F.K., Rahimi M.H., Sadeghian Z. // New Carbon Mater. 2012. V. 27. № 6. P. 401. https://doi.org./10.1016/S1872-5805(12)60023-7
  20. Juhee D., Vikram M., Alok S., Brahmananda C. // Energy Storage. 2023. V. 5. № 1. P. e391. https://doi.org./10.1002/est2.391
  21. Kresse G., Furthmüller J. // Phys. Rev. B. 1996. V. 54. Iss. 16. P. 11169. https://doi.org./10.1103/PhysRevB.54.11169
  22. Felten A., Suarez-Martinez I., Ke X., Tendeloo G.V., Ghijsen J., Pireaux J.J., Drube W., Bittencourt C., Ewels C.P. // ChemPhysChem. 2009. V. 10. № 11. P. 1799. https://doi.org./10.1002/cphc.200900193
  23. Yang C.K., Zhao J., Lu J.P. // Phys. Rev. B. 2002. V. 66. № 4. P. 414031. https://doi.org./10.1103/PhysRevB.66.041403

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Атомная структура бездефектных УНТ (11, 0) (а) и (7, 7) (б)

Скачать (323KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Равновесная атомная структура комплексов дефектной нанотрубки с атомом титана. Атомы углерода, принадлежащие дефекту, выделены более темным цветом. Обозначения дефектов описаны в тексте

Скачать (835KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Энергия образования дефектов в зависимости от выбора типа трубки, типа дефекта, ориентации дефекта на трубке и приближения для описания обменно-корреляционных эффектов

Скачать (304KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Энергия связи атома Ti c трубкой в зависимости от выбора типа трубки, типа дефекта, ориентации дефекта на трубке и приближения для описания обменно-корреляционных эффектов

Скачать (427KB)
Метаданные
6. Рис. 5. Отношение ELDA/EGGA для энергии: а – образования дефектов; б – связи атома Ti

Скачать (265KB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2024