ИСТИНА |
Войти в систему Регистрация |
|
ИСТИНА ИНХС РАН |
||
Формирование негексагональных циклов в графеновых фрагментах было подтверждено экспериментально. Образование таких дефектов приводит к понижению симметрии слоя и может служить эффективным методом варьирования структурных и электронных свойств материала. Как было показано, дефекты, образованные негексагональными циклами являются центрами локализации граничных зон и определяют форму и силу электростатического потенциала, в таких структурах наблюдается повышение плотности состояний в области уровня Ферми. Таким образом, новый класс углеродных материалов, названных хакелитами и представляющих собой углеродные монослои с распределенными по поверхности негексагональными циклами, может быть перспективен для создания материалов, применимых в органической электронике. Наряду с формированием неклассических циклов в углеродном слое, эффективным методом варьирования свойств, не разрушающим pi-систему, является нековалентная функционализация. Адсорбция молекул с выраженными донорными или акцепторными свойствами на поверхности углеродного монослоя приводит к образованию комплексов с переносом заряда и допированию материала электронами или дырками. Создание негексагональных циклов в самом монослое может привести к более интенсивному, по сравнению с графеном, взаимодействию с адсорбированными молекулами и, соответственно, получению материалов с улучшенными свойствами. Данный проект направлен на теоретическое моделирование нековалентных комплексов хакелитовых структур с целью выявления наиболее переспективных для органической электроники материалов.
На первом этапе выполнения проекта будет выбрана конкретная расчетная методика определения свойств хакелитовых структур. Помимо подбора стандартных для расчетов с периодическими граничными условиями параметров будет исследован вопрос применимости функционалов разных классов к задачам такого рода с выбором наиболее подходящего. Далее планируется найти ряд хакелитовых структур, обладающих перспективными свойствами и улучшенной, по сравнению с графеном, способностью образовывать нековалентные комплексы, охарактеризовать их электронное строение. Особое внимание будет уделено исследованию возможности образования высокоспиновых систем. На основе рассчитанных характеристик углеродных монослоев будут подобраны донорные и акцепторные молекулы, взаимодействие с которыми обеспечит эффективное варьирование электронных свойств соответствующих супрамолекулярных структур. По завершению проекта будут охарактеризованы предлагаемые перспективные нековалентные комплексы хакелитовых монослоев.
Хакелитовые структуры образуются в результате внедрения в графеновую структуру негексагональных циклов, одним из возможных путей образования этих фрагментов является перегруппировка Стоуна-Вейлза, заключающаяся в повороте связи углерод-углерод на 90° с перезамыканием циклов. Такой поворот связи в идеальном графене приведет к образованию двух пяти- и двух семичленных циклов, однако при наличии в исходном фрагменте, претерпевающем перегруппировку, негексагональных циклов конечный результат может быть несколько иным. В частности, при повороте 6,6-связи в фуллерене C60 не происходит изменения числа пентагонов и гексагонов, а результат перегруппировки заключается в формировании двух пар смежных пятиугольников. Энергии активации такой перегруппировки в нефункционализированном фуллерене составляет ~7 эВ, что больше соответствующего барьера в 5 эВ для графена. Тем не менее, в нашей лаборатории был обнаружен факт протекания перегруппировок Стоуна-Вейлза в фуллеренах в относительно мягких условиях химической реакции хлорирования. Проведенный нами теоретический анализ показал [1,2], что активационный барьер такого процесса может быть значительно снижен за счет хлорирования рассматриваемого фрагмента и взаимодействия с хлорирующим агентом с образованием ионной пары. Функционализация трансформируемого участка при этом приводила к релаксации структурных напряжений каркаса, вводимых повышенной кривизной фрагмента с сопряженными пятиугольниками, и стабилизации продукта.
грант РФФИ |
# | Сроки | Название |
1 | 1 января 2016 г.-31 декабря 2016 г. | Нековалентная функционализация хакелитовых структур |
Результаты этапа: Популярность графена обусловлена его уникальными свойствами, которые определяются его симметричной структурой. В реальности же исследователи редко имеют дело с идеальной графеновой сетью. Дефекты, к которым можно отнести негексагональные углеродные циклы, вакансии, различные функциональные группы и сами края графенового фрагмента, могут существенно изменять свойства графена. Ключевая роль дефектов заключается в разрушении высокой симметрии графена, что может сопровождаться значительной перестройкой зонной структуры, изменением структурных свойств. Формирование неклассических циклов в углеродном монослое не приводит, в отличие от ковалентной функционализации, к изменению количества атомов, участвующих в pi-сопряжении, что может быть ключом к получению материалов, обладающих металлической проводимостью. С другой стороны, часто внедрение негексагональных циклов искривляет поверхность, что должно отразиться в дифференциации свойств относительно плоских и относительно неплоских участков. Можно предположить, что допирование дефектных структур в результате образования комплексов с переносом заряда с адсорбирующимися на поверхности молекулами должно быть более эффективным, чем в случае идеального графена. Таким образом, хакелиты, являющиеся углеродными монослоями с равномерно распределенными по поверхности слоя негексагональными циклами, и их нековалентные комплексы потенциально могут обладать спектром электронных и транспортных свойств и, соответственно, представлять интерес для органической электроники. Нами был предложен и охарактеризован ряд хакелитовых углеродных структур, обладающих гексагональной симметрией. Изменение мотива расположения неклассических циклов обеспечивает разнообразие структурных форм хакелитов, некоторые из них являются плоскими. Стабильность большинства предложенных структур подтверждается относительными энергиями образования меньшими соответствующей величины для фуллерена C60. Увеличение акцепторной способности хакелитов подтверждается понижением уровня Ферми относительно графена, максимальная разница достигает 0,6 эВ. Среди рассмотренных структур можно найти образцы с разным типом проводимости, в частности, полуметаллическим, металлическим и полупроводниковым. |
Для прикрепления результата сначала выберете тип результата (статьи, книги, ...). После чего введите несколько символов в поле поиска прикрепляемого результата, затем выберете один из предложенных и нажмите кнопку "Добавить".