Закономерности атомного строения, электронных и оптических свойств 2D-композитных структур на основе графена и нанотрубок
, ,
Саратовский национальный исследовательский государственный
университет им.
E-mail: *****@***ru
В настоящее время новый тип углеродного композитного материала – графен с горизонтальной укладкой углеродных нанотрубок на его поверхности – предмет исследовательского интереса многих научных коллективов за рубежом. Начиная с 2013 года, в широкой печати появляются работы, в которых успешно демонстрируется экспериментальное получение гибридных углеродных пленок на основе графеновых слоев с горизонтальной ориентацией нанотрубок между ними [1-3]. В частности, применяемые для синтеза пленочных композитов графен/нанотрубки новые технологии с использованием катионных полиэлектролитов и суспензии из оксида графена позволили решить сразу две ключевых технических проблемы [1]. Первая из них заключалась в устранении дефектов атомной сетки графена в процессе выращивания композита. Было показано, что горизонтальная упаковка углеродных нанотрубок между графеновыми листами позволяет избежать возникающих в процессе синтеза графеновых слоев различных структурных дефектов, в частности, линейных и поверхностных, на которых может происходить рассеяние носителей заряда. Влияние этих дефектов может быть полностью исключено, либо сведено к минимуму за счет того, что углеродные нанотрубки, входящие в состав композита, будут обеспечивать 1D проводящие дорожки для носителей заряда и, тем самым, преодолевать линейные дефекты графена [3]. В свою очередь, графеновый слой в этих гибридных пленках может обеспечить 2D проводящую платформу, которая заполняет открытое пространство между нанотрубками и соединяет трубки, которые не касаются друг друга [3]. Вторая проблема заключалась в практической реализации технологии синтеза однородного массива углеродных нанотрубок, интеркалированных между отдельными графеновыми листами. Таким образом, достигнутый на данном этапе эволюционного развития технический прогресс в области синтеза гибридного материала графен/нанотрубки позволяет сделать следующий логический шаг, а именно вплотную перейти к прогнозированию свойств этого материала и поиску областей его применения.
Данная работа посвящена исследованию insilico закономерностей топологии 2D-композитного материала однослойные углеродные нанотрубки(ОУНТ)-графен и влияния топологии на электронные и оптические свойства. В качестве 2D-композита нами рассматривается слой параллельных друг другу ОУНТ (однослойных УНТ), расположенных на одинаковом расстоянии друг от друга, заключенных межу двумя монослоями графена и соединенных с ними ковалентными связями. Все исследования insilico проводятся с помощью метода молекулярной динамики, а также с применением методов AIREBO [4] и SCCDFTB2 [5]. Атомистическая модель исследуемых композитных структур представлена на рис. 1.
Рис. 1. Атомистическая модель 2D-композита ОУНТ-графен.
Показано, что наиболее термодинамически устойчивыми топологическими моделями являются композиты с трубками (10,0), (12,0), (14,0), (16,0) и (18,0) при межтрубном расстоянии 9, 10, 11, 12 и 13 гексагонов (энтальпия образования <-0.2 ккал/моль. атом). Для этой группы топологических моделей обнаружена проводимость типа полуметалл, кроме трубок (10,0) при шаге 10 гексагон и более. Так же показано, что композиты могут стать основой оптических антенн, поскольку способны поглощать электромагнитные волны как в оптическом диапазоне, так и в УФ-области. Используя трубки разного диаметра, и меняя шаг их периода, можно добиться поглощения волн широкого диапазона.
Работа выполнена при поддержке стипендии Президента РФ молодым ученым и аспирантам СП-3135.2016.1.
Библиографический список
1. Tristán-López F., Morelos-Gómez A., Vega-Díaz S.M., García-Betancourt M.L., Perea-López N., Elías A.L., Muramatsu H., Cruz-Silva R., Tsuruoka S., Kim Y.A., Hayahsi T., Kaneko K., Endo M., Terrones M. Large area films of alternating graphene-carbon nanotube layers processed in water // ACS Nano. 2013. V. 7. P. 10788-10798.
2. Kim S. H., Song W., Jung M. W., Kang M. A., Kim K., Chang S. J., Lee S. S., Lim J., Hwang J., Myung S., An K. S. Carbon nanotube and graphene hybrid thin film for transparent electrodes and field effect transistors // Advanced Materials. 2014. V. 26. № 25. P. 4247-4252.
3. Kholmanov I. N., Magnuson C. W., Piner R., Kim J. Y., Aliev A. E., Tan C., Kim T. Y., Zakhidov A. A., Sberveglieri G., Baughman R. H., Ruoff R. S. Optical, electrical, and electromechanical properties of hybrid graphene/carbon nanotube films // Advanced Materials. 2015. V. 27. P. 3053-3059.
4. O’Connor T. C., Andzelm J., Robbins M. O. AIREBO-M: A reactive model for hydrocarbons at extreme pressures // J. Chem. Phys. 2015. V. 142. № 000. P. 1-9.
5. M. Elstner, D. Porezag, G. Jungnickel, J. Elsner, M. Haugk, Th. Frauenheim, hai, G. Seifert. Self-consistent-charge density-functional tight-binding method for simulations of complex materials properties // Phys. Rev. B. 1998. V. 58. P. 7260-7268.
Сведения об авторах
– д. ф.-м. н., профессор, заведующий кафедрой радиотехники и электродинамики, г.
– аспирант, г.
– к. ф.-м. н., доцент кафедры радиотехники и электродинамики, г.
Вид доклада: устный (/ стендовый)
