О.Е. Глухова – д.ф.-м.н., профессор, зав. кафедрой радиотехники и электродинамики, 

Саратовский национальный исследовательский государственный университет им. Н.Г. Чернышевского E-mail: GlukhovaOE@info.sgu.ru

Д.С. Шмыгин – ассистент,  кафедра радиотехники и электродинамики, 

Саратовский национальный исследовательский государственный университет им. Н.Г. Чернышевского E-mail: shmygin.dmitriy@gmail.com

М.М. Слепченков – к.ф.-м.н., доцент,  кафедра радиотехники и электродинамики, 

Саратовский национальный исследовательский государственный университет им. Н.Г. Чернышевского E-mail: slepchenkovm@mail.ru

Постановка проблемы. В настоящее время колонный графен является одним из перспективных углеродных материалов для разработки радиоэлектронных компонентов современных устройств. Важной задачей на пути развития электроники на базе колонного графена является поиск эффективных способов управления электронными свойствами и электронноэнергетическими характеристиками материала. Одним из традиционных способов изменения электронных свойств углеродных материалов является модификация их атомного строения атомами щелочных металлов, в том числе калия. Наличие в структуре колонного графена большого числа полостей открывает широкие возможности управления его свойствами путем заполнения имеющихся пустот различными атомами и соединениями, однако для этого необходимы детальные исследования.    

Цель. Исследовать закономерности влияния атомов калия на электронное строение и трансфер заряда пленочных и 3D-структур колонного графена.

Результаты. Для атомистических моделей моно- и бислойных пленок, а также 3D-структур колонного графена, построенных на основе однослойных углеродных нанотрубок с индексами киральности (9,9), рассчитаны распределения плотности электронных состояний (DOS) при различных массовых долях калия в полостях колонного графена. Выполнен анализ процесса перетекания заряда в структуре колонного графена, заполненного атомами калия с различной массовой долей. Выявлены закономерности перетекания заряда и распределения DOS колонного графена в зависимости от плотности расположения нанотрубок в его составе.  

Практическая значимость. Установленные в работе физические закономерности могут быть использованы для разработки эффективного способа управления электронными свойствами колонного графена путем варьирования топологией материала и массовой долей заполняющих его полости атомов калия.  

1. Hone J., Whitney M., Piskoti C., Zettl A. Thermal conductivity of single-walled carbon nanotubes // Phys. Rev. B. 1999. V. 59. P. R2514-1−R2516-3. DOI: https://doi.org/10.1103/ PhysRevB.59.R2514.
2. Lee C., Wei X., Kysar J.W., Hone J. Measurement of the Elastic Properties and Intrinsic Strength of Monolayer Graphene // Science. 2008. V. 321. P. 385−388. DOI: 10.1126/science.1157996.
3. Neto A.C., Peres N.M.R., Novoselov K.S. Geim A.K. The electronic properties of graphene // Rev Mod Phys. 2009. V. 81. P. 109−162. DOI: 10.1103/RevModPhys.81.109.
4. Avouris P., Chen Z., Perebeinos V. Carbon-based electronics // Nature Nanotechnology. 2007. V. 2(10). P. 605−15. DOI: https://doi.org/10.1038/nnano.2007.300.
5. Che J., Cagin T., Goddard W.A. Thermal conductivity of carbon nanotubes // Nanotechnology. 2000. V. 11. P. 65−69. DOI: 10.1186/1556-276X-6-610.
6. Memariana F., Fereidoona A., Ganjib M.D. Graphene Young’s modulus: Molecular mechanics and DFT treatments // Superlattices and Microstructures. 2015. V. 85. P. 348−356. DOI: 10.1103/PhysRevB.80.113405.
7. Kim U., Kang J., Lee C. et al. A transparent and stretchable graphene-based actuator for tactile display // Nanotechnology. 2013. V. 24. P. 145501-1−145501-7. DOI: 10.1088/0957-4484/24/ 14/145501.
8. Suzuki K., Matsumoto H., Minagawa M. et al. Carbon nanotubes on carbon fabrics for flexible field emitter arrays // Applied Physics Letters. 2008. V. 93. 053107. P. 1−3. DOI: 10.1063/1.2967868. doi: 10.1063/1.2967868.
9. Gulyaev Yu.V., Chernozatonskii L.A., Kosakovskaja Z.Ja. et al. Field emitter arrays on nanotube carbon structure films // Journal of Vacuum Science & Technology B. 1995. V. 13. P. 435−436. DOI: 10.1116/1.587964.
10. Li C., Zhang Y., Mann M., Hasko D. et al. High emission current density, vertically aligned carbon nanotube mesh, field emitter array // Applied Physics Letters. 2010. V. 97. 113107. P. 1−3. DOI: 10.1063/1.3490651.
11. Balandin A.A., Ghosh S., Bao W., et al. Superior Thermal Conductivity of Single-Layer Graphene // Nano Letters ASAP. 2008. V. 8(3). P. 902−907. DOI:10.1021/nl0731872.
12. Cai W., Moore A.L., Zhu Y., et al. Thermal Transport in Suspended and Supported Monolayer Graphene Grown by Chemical Vapor Deposition // Nano Letters. 2010. V. 10. 5. P. 1645−1651. DOI:10.1021/nl9041966.
13. Loh G.C., Teo E.H.T., Tay B.K. Interpillar phononics in pillared-graphene hybrid nanostructures // Journal of Applied Physics. 2011. V. 110. 083502. DOI: 10.1063/1.3651089.
14. Varshney V., Patnaik S.S., Roy A.K., Froudakis G., Farmer B. Modeling of Thermal Transport in Pillared-Graphene Architectures // ACS NANO. 2010. V. 4. 2. P. 1153−1161. DOI:https://doi.org/10.1021/nn901341r.
15. Du F., Yu D., Dai L., et al. Preparation of Tunable 3D Pillared Carbon Nanotube Graphene Networks for High-Performance Capacitance // Chemistry of Materials. 2011. V. 23. P. 4810−4816. DOI: 10.1021/cm2021214.
16. Lin J., Zhong J., Bao D. Supercapacitors Based on Pillared Graphene Nanostructures // Journal of Nanoscience and Nanotechnology. 2012. V. 12. 3. P. 1770−1775. DOI: 10.1166/jnn.2012.5198.
17. Kim J.-P., Chang H.-B., Kim B.-J., Park J.-S. Enhancement of electron emission and long-term stability of tip-type carbon nanotube field emitters via lithium coating // Thin Solid Films. 2013. V. 528. P. 242−246. DOI: https://doi.org/10.1016/j.tsf.2012.08.060.
18. Elstner M., Porezag D., Jungnickel G. et al. Self-consistent-charge density-functional tight-binding method for simulations of complex materials properties // Physical Review B. 1998. V. 58. № 11. P. 7260−7268. DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevB.58.7260.
19. Stuart S.J., Tutein A.B., Harrison J.A. A reactive potential for hydrocarbons with intermolecular interactions // Journal of Chemical Physics. 2000. V. 112. № 14. P. 6472−6286. DOI: https://doi.org/10.1063/1.481208.