Поверхностно-модифицированные нитрогруппой бороуглеродные BC5 нанотрубки как элемент сенсорного устройства: теоретические исследования

Поверхностно-модифицированные нитрогруппой бороуглеродные BC5 нанотрубки как элемент сенсорного устройства: теоретические исследования

Автор: Запороцкова И.В., Дрючков Е.С., Чешева М.Ф., Звонарева Д.А.

Журнал: НБИ технологии @nbi-technologies

Рубрика: Инновации в металлургии и материаловедении

Статья в выпуске: 3 т.15, 2021 года.

Бесплатный доступ

Проблема модификации бороуглеродных нанотрубок (БУНТ) функциональными группами актуальна в связи с интенсивным развитием наноиндустрии, в частности, нано- и микроэлектроники. Так, например, модифицированная нанотрубка может быть использована в качестве элемента сенсорного устройства для обнаружения микроколичеств различных веществ, в частности, металлов, входящих в состав солей и щелочей. В работе обсуждается возможность создания высокоэффективного сенсора, использующего в качестве чувствительного элемента однослойные бороуглеродные нанотрубки, поверхностность которых модифицирована функциональной нитрогруппой -NO2. Выполнены квантово-химические исследования процесса присоединения нитрогруппы к внешней поверхности однослойной БУНТ типа (6, 6), доказавшие возможность модифицирования БУНТ и образование связи между группой -NO2 и атомом углерода поверхности нанотрубки. Представлены результаты компьютерного моделирования процесса взаимодействия поверхностно-модифицированной бороуглеродной нанотрубки с атомами щелочных металлов (литий, натрий, калий). Исследовано сенсорное взаимодействие модифицированной бороуглеродной наносистемы с выбранными атомами металлов, доказавшее возможность проведения идентификации этих атомов с использованием нанотубулярной системы, которая может выступать в качестве элемента сенсорного устройства. При взаимодействии с атомами щелочных металлов в комплексе «БУНT+NО2» увеличивается число основных носителей, обусловленное переносом электронной плотности от атомов металла к модифицированной БУНТ. Результаты, излагаемые в данной статье, были получены с использованием модели молекулярного кластера и расчетного метода DFT c обменно-корреляционным функционалом B3LYP (валентно-расщепленный базисный набор 6-31G).

Еще

Бороуглеродная нанотрубка, сенсорные свойства, функциональная нитрогруппа, модель молекулярного кластера, щелочные металлы, теория функционала плотности, квантово-химические исследования.

Короткий адрес: https://sciup.org/149138108

IDR: 149138108   |   DOI: 10.15688/NBIT.jvolsu.2021.3.5

Список литературы Поверхностно-модифицированные нитрогруппой бороуглеродные BC5 нанотрубки как элемент сенсорного устройства: теоретические исследования

  • Dinadayalane T.C., Leszczynski J. Fundamental Structural, Electronic, and Chemical Properties of Carbon Nanostructures: Graphene, Fullerenes, Carbon Nanotubes, and Their Derivatives. Handbook of Computational Chemistry, 2017, pp. 1175-1258. DOI: https://doi.org/10.1007/978-3-319-27282-5_22.
  • Wojtkiewicz J., Brzostowski B., Pilch M. Electronic and Optical Properties of Carbon Nanotubes Directed to Their Applications in Solar Cells. Lecture Notes in Computer Science, 2020, vol. 12044, pp. 341-349. DOI: https://doi.org/10.1007/978-3-030-43222-5_30.
  • Tomilin O.B., Rodionova E.V., Rodin E.A., Poroshina M.D., Frolov A.S. The Effect of Carbon Nanotube Modifications on Their Emission Properties. Fullerenes Nanotubes Carbon Nanostruct, 2020, 28 (2), pp. 123-128. DOI: https://doi.org/10.1080/1536383X.2019.1680978.
  • Saito R., Dresselhaus M.S., Dresselhaus G. Physical Properties of Carbon Nanotubes. Imperial College Press, 1999. 251 p.
  • Cao Q., Rogers J.A. Ultrathin Films of Single-Walled Carbon Nanotubes for Electronics and Sensors: A Review of Fundamental and Applied Aspects. Advanced Materials, 2009, 21 (1), pp. 29-5 3. DO I: h t tps: //doi .or g/ 10.10 02/adma.200801995.
  • Siah C.F., Wang J., Roux-Levy P., Tay B.K., Baillargeat D. Carbon Nanotube for Interconnects and Nano-Packaging Application. 2019 IEEE 21st Electronics Packaging Technology Conference, 2019, 9026662, pp. 574-577. DOI: https://doi.org/10.1109/EPTC47984.2019.9026662.
  • Shulaker M.M., Hills G., Patil N., Wei H., Chen H., Wong H.-P. et al. Carbon Nanotube Computer. Nature, 2013, 501 (7468), pp. 526-530. DOI: https://doi.org/10.1038/nature12502.
  • Cardenas J.A., Andrews J.B., Noyce S.G., Franklin A.D. Carbon Nanotube Electronics for IoT Sensors. Nano Futures, 2020, 4 (1). DOI: https://doi.org/10.1088/2399-1984/ab5f20.
  • Hong G., Diao S., Antaris A.L., Dai H. Carbon Nanomaterials for Biological Imaging and Nanomedicinal Therapy. Chem Rev, 2015, 115 (19), pp. 10816-10906. DOI: https://doi.org/10.1021/acs.chemrev.5b00008.
  • Wang J. Carbon-Nanotube Based Electrochemical Biosensors: A Review. Electroanalysis, 2005, 17 (1), pp. 7-14. DOI: https://doi.org/10.1002/elan.200403113.
  • Meyyappan M. Carbon Nanotube-Based Chemical Sensors. Small, 2016, 12 (16), pp. 2118-2129. DOI: https://doi.org/10.1002/smll.201502555.
  • Kauffman D.R., Star A. Carbon Nanotube Gas and Vapor Sensors. Angew Chem Int Ed, 2008, 47 (35), pp. 6550-6570. DOI: https://doi.org/10.1002/anie.200704488.
  • Monea B.F., Ionete E.I., Spiridon S.I., Ion-Ebrasu D., Petre E. Carbon Nanotubes and Carbon Nanotube Structures Used for Temperature Measurement. Sensors, 2019, 19 (11). DOI: https://doi.org/10.3390/s19112464.
  • Ghosh S., Sood A.K., Kumar N. Carbon Nanotube Flow Sensors. Science, 2003, 299 (5609), pp. 1042-1044.
  • Yang N., Chen X., Ren T., Zhang P., Yang D. Carbon Nanotube Based Biosensors. Sens. Actuators B Chem, 2015, 207, pp. 690-715.
  • Rubio A. Formation and Electronic Properties of BC3 Single-Wall Nanotubes Upon Boron Substitution of Carbon Nanotubes. Phys Rev B, 2004, vol. 69. 245403 p.
  • Debnarayan J., Sun C.-L., Chen L.-C., Chen K.-H. Effect of Chemical Doping of Boron and Nitrogen on the Electronic, Optical, and Electrochemical Properties of Carbon Nanotubes. Progress in Materials Science, 2013, vol. 58. 565 p.
  • Boroznina N.P., Boroznin S.V., Zaporotskova I.V., Kozhitov L.V., Popkova A.V. On the Practicability of Sensors Based on Surface Carboxylated Boron-Carbon Nanotubes. Russ J. Inorg Chem, 2019, vol. 64, no. 1, pp. 74-78.
  • Boroznina N.P., Boroznin S.V., Zaporotskova I.V., Zaporotskov P.A. Comparative Analysis of the Effectiveness of the Sensory Properties of Carbon Nanotubes When Modifying Their Surface with Boron Atoms. Lecture Notes Networks Syst, 2021, 155, pp. 288-296.
  • Koch W., Holthausen M.C. A Chemist’s Guide to Density Functional Theory. Wiley-VCH, Weinheim, 2002. 294 p.
Еще
Статья научная
QR-код для установки приложения SciUp Наведите камеру и скачайте бесплатное приложение SciUp