CC BY
12МАТЕРИАЛЫ ЭЛЕКТРОНИКИ ELECTRONICS MATERIALS
УДК 620.3:544.225.22 DOI: 10.24151/1561-5405-2021-26-6-447-458
Электронные свойства графеновых нанолент, допированных пирролоподобным азотом
В.В. Шунаев1, А.Ю. Герасименко2'3'4, О.Е. Глухова1'3
1 Саратовский национальный исследовательский государственный
университет имени Н.Г. Чернышевского, г. Саратов, Россия
2
Национальный исследовательский университет «МИЭТ», г. Москва, Россия
о
Первый Московский государственный медицинский университет имени И.М. Сеченова, г. Москва, Россия 4Институт нанотехнологий микроэлектроники Российской академии наук, г. Москва, Россия
gerasimenko@bms.zone
Допирование графеновых нанолент различными химическими элементами приводит к изменению их зонной структуры, что значительно расширяет спектр применения данных объектов в современных электронных устройствах. В настоящей работе исследованы графеновые наноленты с краем типа «кресло» и «зигзаг» с различной концентрацией пирролоподобного азота на краях. Методом функционала плотности в приближении сильной связи с применением самосогласованного заряда (Self-Consistent Charge Density Functional Tight-Binding, SCC-DFTB) установлены наиболее выгодные с энергетической точки зрения конфигурации пирролоподобного азота на каждом из краев графеновых нанолент. Определена зависимость между энергетическими щелями графеновых нанолент и содержанием в них функциональных азотосодержащих групп. Расчеты показали, что, встраиваясь в атомную решетку, пирролоподобный азот на краю графено-вой наноленты типа «зигзаг» передает большее количество заряда находящимся рядом атомам углерода, что делает такие наноленты более химически активными по сравнению с графеновыми нанолентами с краем типа «кресло». Графеновые наноленты с краем типа «зигзаг», допированные азотом, могут являться перспективным хеморезистивным элементом нано-сенсоров, однако данные выводы требуют дальнейших расчетов.
Ключевые слова: графеновые наноленты; пирролы; молекулярное моделирование; зонная структура; энергетическая щель
© В.В. Шунаев, А.Ю. Герасименко, О.Е. Глухова, 2021
Для цитирования: Шунаев В.В., Герасименко А.Ю., Глухова О.Е. Электронные свойства графеновых нанолент, допированных пирролоподобным азотом // Изв. вузов. Электроника. 2021. Т. 26. № 6. С. 447-458. DOI: https://doi.org/ 10.24151/1561-5405-2021-26-6-447-458
Финансирование работы: работа выполнена при финансовой поддержке Минобрнауки России (проект № FSRR-2020-0004).
Electronic Properties of Graphene Nanoribbons Doped with Pyrrole-Like Nitrogen
V. V. Shunaev1, A.Yu. Gerasimenko2'3'4, O.E. Glukhova1'3
1Saratov State University, Saratov, Russia
2National Research University of Electronic Technology, Moscow, Russia
I.M. Sechenov First Moscow State Medical University, Moscow, Russia 4Institute of Nanotechnology of Microelectronics of the Russian Academy of Sciences, Moscow, Russia
gerasimenko@bms.zone
Abstract: Doping of graphene nanoribbons with various chemical elements leads to a change in their band structure, which significantly expands the range of applications of these objects in modern electronic devices. In this work, the authors investigate graphene nanoribbons of the «armchair» and «zigzag» types with different concentrations of pyrrole-like nitrogen at the edges. The SCC-DFTB method was used to establish the most energetically favorable configurations of pyrrole-like nitrogen at each edge of graphene nanoribbons. The relationship between the energy gaps of graphene nanoribbons and the content of the considered functional nitrogen-containing groups in them was determined. Calculations have shown that, by incorporating into the atomic lattice, pyrrole-like nitrogen at the «zigzag» edge transfers a greater amount of charge to nearby carbon atoms, which makes such nanoribbons more chemically active in comparison with «arm-chair» type nanoribbons. Nitrogen doped «zigzag» graphene nanoribbons may be a promising chemoresistive element of nanosensors; however, these conclusions require further calculations.
Keywords: graphene nanoribbons; pyrroles; pyrrole-like nitrogen; molecular modeling; band structure; energy gap
Funding: this study has been carried out with financial support of the Ministry of Science and Higher Education of the Russian Federation (project no. FSRR-2020-0004).
For citation: Shunaev V.V., Gerasimento A.Yu., Glukhova O.E. Electronic properties of graphene nanoribbons doped with pyrrole-like nitrogen. Proc. Univ. Electronics, 2021, vol. 26, no. 6, pp. 447-458. DOI: https://doi.org/ 10.24151/1561-5405-2021-266-447-458
Введение. Графен - 2Б-материал, который характеризуется уникальными механическими, электронными и адсорбционными свойствами [1-3]. Однако отсутствие энергетической щели, отделяющей валентную зону от зоны проводимости, существенно ограничивает применение графена в различных электронных устройствах, в частности транзисторах. Один из способов контроля энергетической щели и электропроводности графена - его функционализация различными химическими элементами, например азотом. Функционализированные азотосодержащими группами графеновые ячейки применяются в качестве элементов таких электрохимических устройств, как литий-ионные батареи [4, 5], суперконденсаторы [6, 7], транзисторы [8] и биосенсоры [9]. Среди методов синтеза графена, допированного азотом, следует отметить метод химического осаждения из газовой фазы [10-12], сольвотермический метод [13-15], метод постплазменной обработка графена [16-18] и др. Отечественные ученые, модифицировав метод Хаммерса, нашли способ контролировать тип и концентрацию азотосодержащих групп, встраиваемых в решетку восстановленного оксида графена, а также регулировать электронные свойства полученного материала [19].
Методы математического моделирования являются эффективным инструментом исследования электронных свойств графеновых структур, допированных азотом. Исследования методом DFT (Density Functional Theory) показали, что добавление азота открывает в зонной структуре графена энергетическую щель, которая увеличивается с ростом концентрации азота и относительно которой смещается уровень Ферми [20, 21]. Расчеты ab initio позволили установить, что допирование азотом поверхности графена повышает его химическую активность, в частности энергию связи с карбоксильной группой -COOH [22]. Молекулярно-динамическое моделирование с использованием квантово-химического потенциала показало, что во время синтеза графена, допирован-ного азотом, возможен контроль его топологии за счет варьирования кинетической энергии в пределах 1-5 эВ [23].
Известно, что, встроившись в графеновую матрицу, азот образует с углеродом различные соединения: графитовый азот, пиридины, пирролы и др. Особый интерес представляет пирролоподобный азот, образующий химическую связь с графеном за меньшее время по сравнения с другими азотосодержащими группами [24], а полученный в результате N-допированный графен является эффективным и высокоселективным электрокатализатором [25, 26]. Допирование графена пирролами повышает его электроемкость, что делает такой материал перспективным элементом для суперконденсаторов [27, 28] и транзисторов в случае открытия энергетической щели.
Цель настоящей работы - исследование влияния массовой доли пирролоподобного азота на электронные свойства графеновых нанолент, а также оценка возможности контроля данных свойств путем изменения концентрации азота.
Методы исследования. Поиск равновесных состояний, а также анализ зонной структуры рассматриваемых объектов осуществляли в рамках метода функционала плотности в приближении сильной связи с применением самосогласованного заряда (Self-Consistent Charge Density Functional Tight-Binding, SCC DFTB) [29]. По вычислительной скорости метод SCC DFTB сопоставим с традиционными полуэмпирическими методами, но обеспечивает точность, сравнимую с расчетами ab initio. Метод основан на разложении полной энергии Кона - Шэма по плотности заряда до членов второго порядка. Матричные элементы невозмущенного гамильтониана H0 представляются в
минимальном базисе атомных орбиталей при использовании двухчастичного приближения.
Полная энергия системы определяется выражением
Е =у С'С'Но , 1у у
о / . У/'и» / , I пЯЛа:Ла1,+ Егер '
/¡иу 2 ар
где с/ и с/ - коэффициенты при разложении молекулярной орбитали по атомным ор-биталям; уар - функция, экспоненциально убывающая с ростом расстояния между атомами а и в и напрямую зависящая от химической жесткости [30]; Ада и Адр - флуктуации заряда на атомах а и в соответственно; Е - терм, описывающий
отталкивающее взаимодействие на малых расстояниях.
При расчете зонной структуры для разбиения зоны Бриллюэна в обратном пространстве использовали сетку Монкхорста - Пака 1 х 48 х 1, поскольку трансляцию осуществляли только вдоль оси У. Для описания взаимодействия между атомами С, N и Н применяли базисный набор 3оЬ-3-1 [31].
Энергия образования связи пирролоподобного азота с графеном равна:
Ер = E(G + PYR) - E(G) - E(PYR),
(1)
где Е(О + РУК) - энергия графеновых нанолент, допированных пирролоподобным азотом; Е(О) и Е(РУК) - энергии изолированных графеновой и пирролоподобной структур соответственно.
Результаты и их обсуждение. В современной литературе описано несколько способов встраивания пирролоподобного азота в графеновую решетку. Исследования методом молекулярной динамики на основе теории функционала плотности показали, что 72,9 % пирролитических соединений образуется на краях графеновых нанолент типа «зигзаг» [24]. Вместе с тем в других работах приведены схематические иллюстрации, указывающие на наличие пирролоподобного азота на краях графеновых нанолент типа «кресло» [32, 33]. Для определения наиболее энергетически выгодных способов присоединения пирролободного азота построены атомистические модели графеновых на-нолент, содержащих по одной конфигурации пирролоподобного азота на одном из краев. Для экономии места все варианты присоединения пирролоподобного азота изображены на рис.1. Конфигурации пирролоподобного азота на краю графеновых нанолент типа «зигзаг» 12, 22, 32 и 42 взяты из работы [24], а конфигурации на краю графеновых нанолент типа «кресло» 1А и 2А -из работ [32, 33] соответственно. Отметим, что для всех рассмотренных случаев объектом исследования были именно графеновые наноленты, т.е. во время оптимизации методом БСС ББТБ для конфигураций 1А и 2А структуры транслировались вдоль края типа «кресло», а для конфигураций 12, 22, 32 и 42 - вдоль края типа «зигзаг». Длина связи С-№ и N-H во всех случаях составила приблизительно 1,445 и 1,038 А соответственно, что хорошо коррелирует с расчетами методом ББТ [24]. Рассчитанные по формуле (1) энергии образования связи приведены на рис.1. Наиболее энергетически выгодной конфигурацией пирролоподобного азота на
Рис.1. Конфигурации пирролоподобного азота и соответствующие им энергии образования связи Fig.1. Configurations of pyrrole-like nitrogen and corresponding bond formation energies
краю графеновых нанолент типа «кресло» оказалась конфигурация на краю типа «зигзаг» - 3Z. Графеновые наноленты с данными функциональными группами являются объектами дальнейших исследований.
Известно, что графеновые наноленты с краем типа «зигзаг» демонстрируют металлический тип проводимости, а графеновые наноленты с краем типа «кресло» имеют энергетическую щель, которая скачкообразно меняется в зависимости от длины вдоль края типа «зигзаг» [34]. Чтобы определить влияние пирролоподобного азота на электронные свойства графеновых нанолент, построены атомистические модели графено-вых нанолент с массовыми долями пирролоподобного азота в диапазоне 3,02-17,5 %.
Концентрацию пирролов конфигурации ^ в исследуемых графеновых нанолентах с краем типа «кресло» варьировали количеством гексагонов вдоль края типа «зигзаг». Зависимость энергетической щели от количества гексагонов вдоль края типа «зигзаг» для чистых и допированных пирролами конфигурации 1А графеновых нанолент с краем типа «кресло» приведена на рис.2. Как видно из рисунка, после добавления пирро-лоподобного азота к графеновым нанолентам с краем типа «кресло» скачкообразная зависимость энергетической щели от ширины наноленты с общей тенденцией к ее снижению сохраняется. При этом пики энергетической щели наблюдаются, когда количество гексагонов равно 1, 4, 7, 10 и т.д. Также видно, что добавление пирролоподобного азота приводит к снижению по модулю уровня Ферми графеновых нанолент с краем типа «кресло», что согласуется с результатами, полученными методом DFT [21]. Значения уровня Ферми, энергетической щели, а также величины заряда на пирролоподоб-ном азоте конфигурации 1А в зависимости от массовой доли функциональной группы на краях графеновых нанолент типа «кресло» приведены в табл. 1.
Рис.2. Зависимость энергетической щели и уровня Ферми для чистой (^,о) и допирован-ной пирролоподобным азотом конфигурации 1A (■,□) графеновой наноленты с краем типа «кресло» от количества гексагонов вдоль края «зигзаг»
Fig.2. Dependence of the energy gap and Fermi level for pure (^,о) and doped with pyrrole-like nitrogen 1A (■,□) configuration of a graphene nanoribbon of the «armchair» type on the number of hexagons along the «zigzag» edge
Рис.3. Зависимость энергетической щели и уровня Ферми для чистой (^,о) и допирован-ной пирролоподобным азотом конфигурации 3Z (■,□) графеновой наноленты с краем типа «зигзаг» от количества гексагонов вдоль края «кресло»
Fig.3. Dependence of the energy gap and Fermi level for pure (^,о) and doped with pyrrole-like nitrogen 3Z (■,□) configuration of a graphene nanoribbon of the «zigzag» type on the number of hexagons along the edge of the «armchair»
Таблица 1
Электронные характеристики графеновых нанолент с краем типа «кресло», допированных пирролоподобным азотом конфигурации 1А
Table 1
Electronic characteristics of «armchair» type graphene nanoribbons doped with pyrrole-like nitrogen 1A
Количество Концентрация Уровень Энергетическая Величина
гексагонов пиррола, % Ферми, эВ щель, эВ заряда
вдоль края на пирроле, е
типа «зигзаг»
1 9,09 -3,85 2,67 0,039
2 5,75 -3,97 0,97 0,072
3 4,20 -4,05 1,11 0,005
4 3,31 -4,13 1,34 0,027
5 2,73 -4,15 0,59 0,048
6 2,33 -4,2 0,61 0,013
7 2,02 -4,23 0,93 0,027
8 1,79 -4,24 0,46 0,040
9 1,61 -4,27 0,40 0,016
10 1,46 -4,28 0,69 0,027
11 1,33 -4,29 0,39 0,036
Концентрацию пирролов конфигурации 32 в исследуемых нанолентах с краем типа «зигзаг» варьировали количеством гексагонов вдоль края типа «кресло». Зависимость энергетической щели от количества гексагонов вдоль края типа «кресло» для чистых и допированных пирролами конфигураций 32 графеновых нанолент с краем типа «зигзаг» приведена на рис.3. Как видно из рисунка, при высокой концентрации пирролопо-добного азота (9,72-17,5 %) в зонной структуре графеновых нанолент с краем типа «зигзаг» открывается энергетическая щель в диапазоне 0,22-0,79 эВ. Это является возможным объяснением того, что высокая концентрация атомов азота в восстановленном оксиде графена не приводит к образованию высокоактивного электрокатализатора [35]. Однако, когда количество гексагонов вдоль края типа «кресло» становится равным 3, величина щели снижается до значения 0,01 эВ, а затем становится равной нулю. Также при концентрациях 9,72-17,5 % наблюдается рост значений уровня Ферми, но и эти значения начинают уменьшаться, когда количество гексагонов вдоль края типа «кресло» становится больше трех.
Следует отметить, что при встраивании в атомную решетку на краю типа «зигзаг» пирролоподобный азот конфигурации 32 выступает в роли донора и отдает заряд 0,204-0,211 е, что значительно превышает данные показатели у пирролоподобного азота конфигурации 1А, присоединенного к краю типа «кресло» (0,005-0,072 е). Вследствие приобретенного заряда атомы углерода в зоне рядом с пирролом становятся более химически активными, что и является возможным объяснением увеличения абсорбции графена после допирования азотом [22]. Значения уровня Ферми, энергетической щели, а также величины заряда на пирролоподобном азоте конфигурации 32 в зависимости от массовой доли функциональной группы на краях графеновых нанолент типа «зигзаг» приведены в табл.2.
Таблица 2
Электронные характеристики графеновых нанолент с краем типа «зигзаг», допированных пирролоподобным азотом конфигурации 3Z
Table 2
Electronic characteristics of «zigzag» type graphene nanoribbons doped with pyrrole-like nitrogen 3Z
Количество Концентрация Уровень Энергетическая Величина
гексагонов пиррола, % Ферми, эВ щель, эВ заряда
вдоль края на пирроле, е
типа «кресло»
1 17,50 -4,48 2,67 0,204
2 9,72 -4,38 0,97 0,208
3 6,73 -4,36 1,11 0,209
4 5,15 -4,41 1,34 0,211
5 4,17 -4,45 0,59 0,211
6 3,50 -4,48 0,61 0,211
7 3,02 -4,49 0,93 0,211
Заключение. Исследования графеновых нанолент с краем типа «кресло» с различной массовой долей пирролоподобного азота, которая варьировалась в пределах 1,33-9,09 %, и графеновых нанолент с краем типа «зигзаг» с массовой долей пирролоподобного азота 3,02-17,5 % методами математического моделирования показали следующее. В результате расчетов энергии образования методом SCC DFTB определены наиболее выгодные конфигурации пирролоподбного азота на краях графеновых нанолент: конфигурация 1A для края типа «кресло» и конфигурация 3Z для края типа «зигзаг». Установлено, что присоединение пирролоподобного азота конфигурации 1А к графеновым нанолентам с краем типа «кресло» приводит к снижению уровня Ферми, при этом скачкообразная зависимость энергетической щели от ширины наноленты сохраняется. Присоединение пирролоподобного азота конфигурации 3Z к графеновым нанолентам с краем типа «зигзаг» приводит к открытию энергетической щели при концентрации пиррола 9,72-17,50 %.
Встраиваясь в графеновую решетку с края типа «зигзаг», пирролоподобный азот становится донором и передает соседним атомам углерода заряд 0,204-0,211 е, в результате чего данная область становится более химически активной. Это объясняет эффект увеличения адсорбции графеновых нанолент типа «зигзаг» при наличии азота. С этой точки зрения графеновые наноленты с краем типа «зигзаг», допированные азотом, могут являться перспективным хеморезистивным элементом наносенсоров, однако данные выводы требуют дальнейших расчетов.
Литература
1. Electric field effect in atomically thin carbon films / K.S. Novoselov, A.K. Geim, S.V. Morozov et al. II Science. 2004. Vol. 306. Iss. 5696. P. 666-669. DOI: https://doi.org/10.1126/science.1102896
2. Lee C., Wei X., Kysar J.W., Hone J. Measurement of the elastic properties and intrinsic strength of monolayer graphene // Science. 2008. Vol. 321. Iss. 5887. P. 385-388. DOI: https://doi.org/10.1126/ science.1157996
3. Szczqrniak B., Choma J., Jaroniec M. Gas adsorption properties of graphene-based materials // Advances in Colloid and Interface Science. 2017. Vol. 243. P. 46-59. DOI: https://doi.orgI10.1016/ j.cis.2017.03.007
4. Wen H., Guo B., Kang W., Zhang C. Free-standing nitrogen-doped graphene paper for lithium storage application // RSC Advances. 2018. Vol. 8. Iss. 25. P. 14032-14039. DOI: https://doi.org/10.1039/C8RA01019F
5. A highly nitrogen-doped porous graphene - an anode material for lithium ion batteries / Z.-Y. Sui, C. Wang, Q.-S. Yang et al. // Journal of Materials Chemistry A. 2015. Vol. 3. Iss. 35. P. 18229-18237. DOI: https://doi.org/10.1039/C5TA05759K
6. Elessawy N.A., El Nady J., Wazeer W., Kashyout A.B. Development of high-performance supercapacitor based on a novel controllable green synthesis for 3D nitrogen doped graphene // Sci. Rep. 2019. Vol. 9. Art. No. 1129. DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-018-37369-x
7. Lei H., Tu J., Tian D., Jiao S. A nitrogen-doped graphene cathode for high-capacitance aluminum-ion hybrid supercapacitors // New Journal of Chemistry. 2018. Vol. 42. Iss. 19. P. 15684-15691. DOI: https://doi.org/10.1039/C8NJ02170H
8. N-doped graphene field-effect transistors with enhanced electron mobility and air stability / W. Xu, T.-S. Lim, H.-K. Seo et al. // Small. 2014. Vol. 10 (10). P. 1999-2005. DOI: https://doi.org/ 10.1002/smll.201303768
9. Foroughi F., Rahsepar M., Kim H. A highly sensitive and selective biosensor based on nitrogen-doped graphene for non-enzymatic detection of uric acid and dopamine at biological pH value // Journal of Electroanalytical Chemistry. 2018. Vol. 827. P. 34-41. DOI: https://doi.org/10.1016/jjelechem.2018.09.008
10. Nitrogen-doped graphene sheets grown by chemical vapor deposition: synthesis and influence of nitrogen impurities on carrier transport / Y.-F. Lu, S.-T. Lo, J.-C. Lin et al. // ACS Nano. 2013. Vol. 7. No. 8. P. 6522-6532. DOI: https://doi.org/10.1021/nn402102y
11. Qu L., Liu Y., Baek J.-B., Dai L. Nitrogen-doped graphene as efficient metal-free electrocatalyst for oxygen reduction in fuel cells // ACS Nano. 2010. Vol. 4. No. 3. P. 1321-1326. DOI: https://doi.org/ 10.1021/nn901850u
12. Nitrogen-doped graphene: efficient growth, structure, and electronic properties / D. Usachov, O. Vilkov, A. Gruneis et aL // Nano Lett. 2011. Vol. 11. No. 12. P. 5401-5407. DOI: https://doi.org/10.1021/nl2031037
13. Solvothermal synthesis of nitrogen-doped graphene decorated by superparamagnetic Fe3O4 nanoparti-cles and their applications as enhanced synergistic microwave absorbers / Z. Li, X. Li, Y. Zong et al. // Carbon.
2017. Vol. 115. P. 493-502. DOI: https://doi.org/10.1016/j.carbon.2017.01.036
14. Strong two-photon-induced fluorescence from photostable, biocompatible nitrogen-doped graphene quantum dots for cellular and deep-tissue imaging / Q. Liu, B. Guo, Z. Rao et al. // Nano Lett. 2013. Vol. 13. No. 6. P. 2436-2441. DOI: https://doi.org/10.1021/nl400368v
15. Single source precursor-based solvothermal synthesis of heteroatom-doped graphene and its energy storage and conversion applications / B. Quan, S.-H. Yu, D.Y. Chung et al. // Sci. Rep. 2014. Vol. 4. Art. No. 5639. DOI: https://doi.org/10.1038/srep05639
16. Nitrogen-doping processes of graphene by a versatile plasma-based method / Y.-P. Lin, Y. Ksari, J. Prakash et al. // Carbon. 2014. Vol. 73. P. 216-224. DOI: https://doi.org/10.1016/j.carbon.2014.02.057
17. Zeng J.J., Lin Y.J. Tuning the work function of graphene by nitrogen plasma treatment with different radio-frequency powers // Appl. Phys. Lett. 2014. Vol. 104. Iss. 23. Art. ID: 233103. DOI: https://doi.org/ 10.1063/1.4882159
18. Aminated graphene for DNA attachment produced via plasma functionalization / M. Baraket, R. Stine, W.K Lee et aL // Appl. Phys. Lett. 2012. Vol. 100. Iss. 23. Art. ID: 233123. DOI: https://doi.org/10.1063/L4711771
19. Unveiling a facile approach for large-scale synthesis of N-doped graphene with tuned electrical properties / M.K. Rabchinskii, S.A. Ryzhkov, M.V. Gudkov et al. // 2D Materials. 2020. Vol. 7. No. 4. Art. ID: 045001. DOI: https://doi.org/10.1088/2053-1583/ab9695
20. Nath P., Chowdhury S., Sanyal D., Jana D. Ab-initio calculation of electronic and optical properties of nitrogen and boron doped graphene nanosheet // Carbon. 2014. Vol. 73. P. 275-282. DOI: https://doi.org/ 10.1016/j.carbon.2014.02.064
21. Herath D., Dinadayalane T. Computational investigation of double nitrogen doping // J. Mol. Model.
2018. Vol. 24. Art. No. 26. DOI: https://doi.org/10.1007/s00894-017-3560-0
22. Al-Aqtash N., Vasiliev I. Ab initio study of boron- and nitrogen-doped graphene and carbon nanotubes functionalized with carboxyl groups // J. Phys. Chem. C. 2011. Vol. 115. Iss. 38. P. 18500-18510. DOI: https://doi.org/10.1021/jp206196k
23. Moon S., Hijikata Y., Irle S. Structural transformations of graphene exposed to nitrogen plasma: quantum chemical molecular dynamics simulations // Phys. Chem. Chem. Phys. 2019. Vol. 21. P. 12112-12120. DOI: https://doi.org/10.1039/C8CP06159A
24. Dong Y., GahlM.T., Zhang C., Lin J. Computational study of precision nitrogen doping on graphene nanoribbon edges // Nanotechnology. 2017. Vol. 28. No. 50. Art. ID: 505602. DOI: https://doi.org/10.1088/ 1361-6528/aa9727
25. Active sites of nitrogen-doped carbon materials for oxygen reduction reaction clarified using model catalysts / D. Guo, R. Shibuya, C. Akiba et al. // Science. 2016. Vol. 351. Iss. 6271. P. 361-365. DOI: https://doi.org/10.1126/science.aad0832
26. Liu Y., Zhao J., Cai Q. Pyrrolic-nitrogen doped graphene: a metal-free electrocatalyst with high efficiency and selectivity for the reduction of carbon dioxide to formic acid: a computational study // Phys. Chem. Chem. Phys. 2016. Vol. 18 (7). P. 5491-5498. DOI: https://doi.org/10.1039/C5CP07458D
27. Nitrogen-doped graphene for high-performance ultracapacitors and the importance of nitrogen-doped sites at basal planes / H.M. Jeong, J. W. Lee, W.H. Shin et al. // Nano Lett. 2011. Vol. 11. No. 6. P. 2472-2477. DOI: https://doi.org/10.1021/nl2009058
28. Single-site pyrrolic-nitrogen-doped sp2-hybridized carbon materials and their pseudocapacitance / K. Tian, J. Wang, L. Cao et al. // Nature Communications. 2020. Vol. 11. Art. No. 3884. DOI: https://doi.org/ 10.1038/s41467-020-17727-y
29. Self-consistent-charge density-functional tight-binding method for simulations of complex materials properties / M. Elstner, D. Porezag, G. Jungnickel et al. // Phys. Rev. B. 1998. Vol. 58. P. 7260-7268. DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevB.58.7260
30. Parr R.G., Pearson R.G. Absolute hardness: companion parameter to absolute electronegativity // J. Am. Chem. Soc. 1983. Vol. 105. No. 26. P. 7512-7516. DOI: https://doi.org/10.1021/ja00364a005
31. Gaus M., Goez A., Elstner M. Parametrization and benchmark of DFTB3 for organic molecules // J. Chem. Theory Comput. 2013. Vol. 9. No. 1. P. 338-354. DOI: https://doi.org/10.1021/ct300849w
32. Investigation of edge-selectively nitrogen-doped metal free graphene for oxygen reduction reaction / H. He, Q. Yang, S. Xiao et al. // Journal of Advances in Nanotechnology. 2020. Vol. 1. Iss. 2. P. 5-13.
33. Catalyst-free synthesis of nitrogen-doped graphene via thermal annealing graphite oxide with melamine and its excellent electrocatalysis / Z.-H. Sheng, L. Shao, J.-J. Chen et al. // ACS Nano. 2011. Vol. 5. No. 6. P. 4350-4358. DOI: https://doi.org/10.1021/nn103584t
34. Barone V., Hod O., Scuseria G.E. Electronic structure and stability of semiconducting graphene nanoribbons // Nano Lett. 2006. Vol. 6. No. 12. P. 2748-2754. DOI: https://doi.org/10.1021/nl0617033
35. Lemes G., Sebastián D., Pastor E., Lázaro M.J. N-doped graphene catalysts with high nitrogen concentration for the oxygen reduction reaction // Journal of Power Sources. 2019. Vol. 438. Art. ID: 227036. DOI: https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2019.227036
Поступила в редакцию 27.04.2021 г.; после доработки 07.07.2021 г.; принята к публикации 11.10.2021 г.
Шунаев Владислав Викторович - кандидат физико-математических наук, доцент кафедры радиотехники и электродинамики, старший научный сотрудник Образовательно-научного института наноструктур и биосистем Саратовского национального исследовательского государственного университета имени Н.Г. Чернышевского (Россия, 410012, г. Саратов, ул. Астраханская, 81), vshunaev@list.ru
Герасименко Александр Юрьевич - кандидат физико-математических наук, доцент, старший научный сотрудник Института биомедицинских систем Национального исследовательского университета «МИЭТ» (Россия, 124498, г. Москва, г. Зеленоград, пл. Шокина, 1), заведующий лабораторией биомедицинских нано-технологий Первого Московского государственного медицинского университета имени И.М. Сеченова (Россия, 119991, г. Москва, ул. Трубецкая, 8/2), старший научный сотрудник Института нанотехнологий микроэлектроники Российской академии наук (Россия, 11999, г. Москва, Ленинский пр., 32а), gerasimenko@bms.zone
Глухова Ольга Евгеньевна - доктор физико-математических наук, профессор, заведующая кафедрой радиотехники и электродинамики, главный научный сотрудник Образовательно-научного института наноструктур и биосистем Саратовского национального исследовательского государственного университета имени Н.Г. Чернышевского (Россия, 410012, г. Саратов, ул. Астраханская, 81), старший научный сотрудник Первого Московского государственного медицинского университета имени И.М. Сеченова (Россия, 119991, г. Москва, ул. Трубецкая, 8/2), glukhovaoe@info.sgu.ru
References
1. Novoselov K.S., Geim A.K., Morozov S.V., Jiang D., Zhang Y., Dubonos S.V., Grigorieva I.V., Firsov A.A. Electric field effect in atomically thin carbon films. Science, 2004, vol. 306, iss. 5696, pp. 666-669. DOI: https://doi.org/10.1126/science. 1102896
2. Lee C., Wei X., Kysar J.W., Hone J. Measurement of the elastic properties and intrinsic strength of monolayer graphene. Science, 2008, vol. 321, iss. 5887, pp. 385-388. DOI: https://doi.org/10.1126/science.1157996
3. Szczçsniak B., Choma J., Jaroniec M. Gas adsorption properties of graphene-based materials. Advances in Colloid and Interface Science, 2017, vol. 243, pp. 46-59. DOI: https://doi.org/10.1016/j.cis.2017.03.007
4. Wen H., Guo B., Kang W., Zhang C. Free-standing nitrogen-doped graphene paper for lithium storage application. RSCAdvances, 2018, vol. 8, iss. 25, pp. 14032-14039. DOI: https://doi.org/10.1039/C8RA01019F
5. Sui Z.-Y., Wang C., Yang Q.-S., Shu K., Liu Y.-W., Han B.-H., Wallace G.G. A highly nitrogen-doped porous graphene - an anode material for lithium ion batteries. Journal of Materials Chemistry A, 2015, vol. 3, iss. 35, pp. 18229-18237. DOI: https://doi.org/10.1039/C5TA05759K
6. Elessawy N.A., El Nady J., Wazeer W., Kashyout A.B. Development of high-performance supercapacitor based on a novel controllable green synthesis for 3D nitrogen doped graphene. Sci. Rep., 2019, vol. 9, art. no. 1129. DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-018-37369-x
7. Lei H., Tu J., Tian D., Jiao S. A nitrogen-doped graphene cathode for high-capacitance aluminum-ion hybrid supercapacitors. New Journal of Chemistry, 2018, vol. 42, iss. 19, pp. 15684-15691. DOI: https://doi.org/ 10.103 9/C8NJ02170H
8. Xu W., Lim T.-S., Seo H.-K., Min S.-Y., Cho H., Park M.-H., Kim Y.-H., Lee T.-W. N-doped graphene field-effect transistors with enhanced electron mobility and air stability. Small, 2014, vol. 10 (10), pp. 1999-2005. DOI: https://doi.org/10.1002/smll.201303768
9. Foroughi F., Rahsepar M., Kim H. A highly sensitive and selective biosensor based on nitrogen-doped graphene for non-enzymatic detection of uric acid and dopamine at biological pH value. Journal of Electroanalytical Chemistry, 2018, vol. 827, pp. 34-41. DOI: https://doi.org/10.1016/j.jelechem.2018.09.008
10. Lu Y.-F., Lo S.-T., Lin J.-C., Zhang W., Lu J.-Y., Liu F.-H., Tseng Ch.-M., Lee Y.-H., Liang Ch.-T., Li L.-J. Nitrogen-doped graphene sheets grown by chemical vapor deposition: synthesis and influence of nitrogen impurities on carrier transport. ACS Nano, 2013, vol. 7, no. 8, pp. 6522-6532. DOI: https://doi.org/ 10.1021/nn402102y
11. Qu L., Liu Y., Baek J.-B., Dai L. Nitrogen-doped graphene as efficient metal-free electrocatalyst for oxygen reduction in fuel cells. ACS Nano, 2010, vol. 4, no. 3, pp. 1321-1326. DOI: https://doi.org/ 10.1021/nn901850u
12. Usachov D., Vilkov O., Grüneis A., Haberer D., Fedorov A., Adamchuk V.K., Preobrajenski A.B., Dudin P., Barinov A., Oehzelt M., Laubschat C., Vyalikh D.V. Nitrogen-doped graphene: efficient growth, structure, and electronic properties. Nano Lett., 2011, vol. 11, no. 12, pp. 5401-5407. DOI: https://doi.org/ 10.1021/nl2031037
13. Li Z., Li X., Zong Y., Tan G., Sun Y., Lan Y., He M., Ren Zh., Zheng X. Solvothermal synthesis of nitrogen-doped graphene decorated by superparamagnetic Fe3O4 nanoparticles and their applications as enhanced synergistic microwave absorbers. Carbon, 2017, vol. 115, pp. 493-502. DOI: https://doi.org/ 10.1016/j.carbon.2017.01.036
14. Liu Q., Guo B., Rao Z., Zhang B., Gong J.R. Strong two-photon-induced fluorescence from photostable, biocompatible nitrogen-doped graphene quantum dots for cellular and deep-tissue imaging. Nano Lett., 2013, vol. 13, no. 6, pp. 2436-2441. DOI: https://doi.org/10.1021/nl400368v
15. Quan B., Yu S.-H., Chung D.Y., Jin A., Park J.H., Sung Y.-E., Piao Y. Single source precursor-based solvothermal synthesis of heteroatom-doped graphene and its energy storage and conversion applications. Sci. Rep., 2014, vol. 4, art. no. 5639. DOI: https://doi.org/10.1038/srep05639
16. Lin Y.-P., Ksari Y., Prakash J., Giovanelli L., Valmalette J.-C., Themlin J.-M. Nitrogen-doping processes of graphene by a versatile plasma-based method. Carbon, 2014, vol. 73, pp. 216-224. DOI: https://doi.org/10.1016/j.carbon.2014.02.057
17. Zeng J.J., Lin Y.J. Tuning the work function of graphene by nitrogen plasma treatment with different radio-frequency powers. Appl. Phys. Lett., 2014, vol. 104, iss. 23, art. ID: 233103. DOI: https://doi.org/ 10.1063/1.4882159
18. Baraket M., Stine R., Lee W.K., Robinson J.T., Tamanaha C.R., Sheehan P.E., Walton S.G. Aminated graphene for DNA attachment produced via plasma functionalization. Appl. Phys. Lett., 2012, vol. 100, iss. 23, art. ID: 233123. DOI: https://doi.org/10.1063/L4711771
19. Rabchinskii M.K., Ryzhkov S.A., Gudkov M.V., Baidakova M.V., Saveliev S.D., Pavlov S.I., Shnitov V.V., Kirilenko D.A., Stolyarova D.Yu., Lebedev A.M. et al. Unveiling a facile approach for large-scale synthesis of N-doped graphene with tuned electrical properties. 2D Materials, 2020, vol. 7, no. 4, art. ID: 045001. DOI: https://doi.org/10.1088/2053-1583/ab9695
20. Nath P., Chowdhury S., Sanyal D., Jana D. Ab-initio calculation of electronic and optical properties of nitrogen and boron doped graphene nanosheet. Carbon, 2014, vol. 73, pp. 275-282. DOI: https://doi.org/10.1016/j.carbon.2014.02.064
21. Herath D., Dinadayalane T. Computational investigation of double nitrogen doping. J. Mol. Model., 2018, vol. 24, art. no. 26. DOI: https://doi.org/10.1007/s00894-017-3560-0
22. Al-Aqtash N., Vasiliev I. Ab initio study of boron- and nitrogen-doped graphene and carbon nanotubes functionalized with carboxyl groups. J. Phys. Chem. C, 2011, vol. 115, iss. 38, pp. 18500-18510. DOI: https://doi.org/10.1021/jp206196k
23. Moon S., Hijikata Y., Irle S. Structural transformations of graphene exposed to nitrogen plasma: quantum chemical molecular dynamics simulations. Phys. Chem. Chem. Phys., 2019, vol. 21, pp. 12112-12120. DOI: https://doi.org/10.1039/C8CP06159A
24. Dong Y., Gahl M.T., Zhang C., Lin J. Computational study of precision nitrogen doping on graphene nanoribbon edges. Nanotechnology, 2017, vol. 28, no. 50, art. ID: 505602. DOI: https://doi.org/10.1088/1361-6528/aa9727
25. Guo D., Shibuya R., Akiba C., Saji S., Kondo T., Nakamura J. Active sites of nitrogen-doped carbon materials for oxygen reduction reaction clarified using model catalysts. Science, 2016, vol. 351, iss. 6271, pp. 361-365. DOI: https://doi.org/10.1126/science.aad0832
26. Liu Y., Zhao J., Cai Q. Pyrrolic-nitrogen doped graphene: a metal-free electrocatalyst with high efficiency and selectivity for the reduction of carbon dioxide to formic acid: a computational study. Phys. Chem. Chem. Phys., 2016, vol. 18 (7), pp. 5491-5498. DOI: https://doi.org/10.1039/C5CP07458D
27. Jeong H.M., Lee J.W., Shin W.H., Choi Y.J., Shin H.J., Kang J.K., Choi J.W. Nitrogen-doped graphene for high-performance ultracapacitors and the importance of nitrogen-doped sites at basal planes. Nano Lett., 2011, vol. 11, no. 6, pp. 2472-2477. DOI: https://doi.org/10.1021/nl2009058
28. Tian K., Wang J., Cao L., Yang W., Guo W., Liu Sh., Li W., Wang F., Li X., Xu Zh., Wang Zh., Wang H., Hou Y. Single-site pyrrolic-nitrogen-doped sp2-hybridized carbon materials and their pseudocapacitance. Nature Communications, 2020, vol. 11, art. no. 3884. DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-020-17727-y
29. Elstner M., Porezag D., Jungnickel G., Elsner J., Haugk M., Frauenheim Th., Suhai S., Seifert G. Self-consistent-charge density-functional tight-binding method for simulations of complex materials properties. Phys. Rev. B, 1998, vol. 58, pp. 7260-7268. DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevB.58.7260
30. Parr R.G., Pearson R.G. Absolute hardness: companion parameter to absolute electronegativity. J. Am. Chem. Soc., 1983, vol. 105, no. 26, pp. 7512-7516. DOI: https://doi.org/10.1021/ja00364a005
31. Gaus M., Goez A., Elstner M. Parametrization and benchmark of DFTB3 for organic molecules. J. Chem. Theory Comput., 2013, vol. 9, no. 1, pp. 338-354. DOI: https://doi.org/10.1021/ct300849w
32. He H., Yang Q., Xiao S., Han X., Li Q., Lv K., Hong J., Tang D., Kejian D. Investigation of edge-selectively nitrogen-doped metal free graphene for oxygen reduction reaction. Journal of Advances in Nanotechnology, 2020, vol. 1, iss. 2, pp. 5-13.
33. Sheng Z.-H., Shao L., Chen J.-J., Bao W.-J., Wang F.-B., Xia X.-H. Catalyst-free synthesis of nitrogen-doped graphene via thermal annealing graphite oxide with melamine and its excellent electrocatalysis. ACS Nano, 2011, vol. 5, no. 6, pp. 4350-4358. DOI: https://doi.org/10.1021/nn103584t
34. Barone V., Hod O., Scuseria G.E. Electronic structure and stability of semiconducting graphene nanoribbons. Nano Lett., 2006, vol. 6, no. 12, pp. 2748-2754. DOI: https://doi.org/10.1021/nl0617033
35. Lemes G., Sebastián D., Pastor E., Lázaro M.J. N-doped graphene catalysts with high nitrogen concentration for the oxygen reduction reaction. Journal of Power Sources, 2019, vol. 438, art. ID: 227036. DOI: https://doi.org/10.1016/jjpowsour.2019.227036
Received 27.04.2021; Revised 07.07.2021; Accepted 11.10.2021. Information about the authors:
Vladislav V. Shunaev - Cand. Sci. (Phys.-Math.), Assoc. Prof. of the Radio Engineering and Electrodynamics Department, Senior Researcher of the Educational and Scientific Institute of Nanostructures and Biosystems, Saratov State University (Russia, 410012, Saratov, Astrakhanskaya st., 81), vshunaev@list.ru
Alexander Yu. Gerasimenko - Cand. Sci. (Phys.-Math.), Assoc. Prof., Senior Researcher of the Institute of Biomedical Systems, National Research University of Electronic Technology (Russia, 124498, Moscow, Zelenograd, Shokin sq., 1), Head of the Laboratory of Biomedical Nanotechnologies, I.M. Sechenov First Moscow State Medical University (Russia, 119991, Moscow, Trubetskaya st., 8/2), Senior Researcher of Institute of Nano-technology of Microelectronics of the Russian Academy of Sciences (Russia, 119991, Moscow, Leninsky av., 32a), gerasimenko@bms.zone
Olga E. Glukhova - Dr. Sci. (Phys.-Math.), Prof., Head of the Educational and Scientific Institute of Nanostructures and Biosystems, Saratov State University (Russia, 410012, Saratov, Astrakhanskaya st., 81), Senior Researcher, I.M. Sechenov First Moscow State Medical University (Russia, 119991, Moscow, Trubetskaya st., 8/2), glukhovaoe @info.sgu.ru
/-4
Вниманию читателей журнала «Известия высших учебных заведений. Электроника»
Подписку на печатную версию журнала можно оформить:
• по каталогу «Периодические издания. Газеты и журналы» ООО «УП Урал-Пресс». Подписной индекс 47570
• по объединенному каталогу «Пресса России» ООО «Агентство «Книга-Сервис» в любом почтовом отделении. Подписной индекс 38934
• через редакцию - с любого номера и до конца года
Подписку на электронную версию журнала можно оформить на сайтах:
• Научной электронной библиотеки: www.elibrary.ru
• ООО «Агентство «Книга-Сервис»: www.rucont.ru;www.akc.ru;
www.pressa-rf.ru
• ООО «УП Урал-Пресс»: www.delpress.ru
• ООО «ИВИС»: www.ivis.ru ---
