Исследование роли примесных атомов бора в металлизации углеродных нанотрубок

Цель – исследование возможности контроля различных эффектов, включая металлизацию, углеродных нанотрубок с помощью примесных атомов бора. Рассматриваются существующие способы проведения реакций замещения в нанотрубках части атомов углерода на бор. 

Методы. Для проведения анализа современного состояния исследований по тематике проведены сравнения международных и отечественных исследований в области проведения модифицирования и металлизации углеродных нанотрубок. С целью уточнения механизмов металлизации и определения зависимости данного процесса от концентрации примесных атомов бора были использованы результаты модельных экспериментов, проведенных с применением теории функционала плотности. 

Результаты. В результате проведенных исследований установлено, что модифицирование углеродных нанотрубок атомарным бором является одним из наиболее эффективных способов управления физико-химическими свойствами изучаемых нанообъектов. Также было установлено, что внедрение примесных атомов бора приводит к локализации адсорбционных центров вблизи них. В ходе модельного эксперимента также было установлено, что в системе происходит перераспределение электронной плотности от атомов металлов к поверхности нанотрубки.

Заключение. Совокупность описанных явлений позволяет сделать вывод о том, что с помощью примесных атомов бора возможно не только контролировать процесс металлизации углеродных нанотрубок, но и те электронные свойства, которые будут важны для дальнейшего их использования в качестве узлов приборов наноэлектронных устройств.

1. Rathinavel S., Priyadharshini K., Panda D. A review on carbon nanotube: An overview of synthesis, properties, functionalization, characterization, and the application // Materials Science and Engineering: B. 2021. Vol. 268. P. 115095. https://doi.org/10.1016/j.mseb.2021.115095

2. Boron doped carbon nanotubes: synthesis, characterization and emerging applications: a review / S. V. Sawant, A. W. Patwardhan, J. B. Joshi, K. Dasgupta // Chemical Engineering Journal. 2022. Vol. 427. P. 131616. https://doi.org/10.1016/j.cej.2021.131616

3. Keru G., Ndungu P. G., Nyamori V. O. Effect of boron concentration on physicochemical properties of boron-doped carbon nanotubes // Mater. Chem. Phys. 2015. Vol. 153. P. 323–332. https://doi.org/10.1016/J.MATCHEMPHYS.2015.01.020

4. Hydrothermal synthesis of boron-doped unzipped carbon nanotubes/sulfur composite for high-performance lithium-sulfur batteries / C. Xu, H. Zhou, C. Fu, Y. Huang, L. Chen, L. Yang, Y. Kuang // Electrochim. Acta. 2017. Vol. 232. 156–163. https://doi.org/10.1016/J.ELECTACTA.2017.02.140

5. Rapidly self-heating shape memory polyurethane nanocomposite with boron-doped single-walled carbon nanotubes using near-infrared laser / Y.-M. Ha, Y.-O. Kim, Y.-N. Kim, J. Kim, J.-S. Lee, J. W. Cho, M. Endo, H. Muramatsu, Y. A. Kim, Y. C. Jung // Compos. Part B Eng. 2019. Vol. 175. P. 107065. https://doi.org/10.1016/J.COMPOSITESB.2019.107065

6. Boron-doped multi- walled carbon nanotubes as sensing material for analysis of dopamine and epinephrine in presence of uric acid / N. G. Tsierkezos, U. Ritter, Y. N. Thaha, A. Knauer, D. Fernandes, A. Kelarakis, E. K. McCarthy // Chem. Phys. Lett. 2018. Vol. 710. P. 157–167. https://doi.org/10.1016/J.CPLETT.2018.09.007

7. Boron-doped graphene for electrocatalytic N2 reduction / Y. Xiaomin, H. Peng, W. Zengxi, H. Linsong, G. Zhengxiang, P. Sijia, M. Jianmin, Z. Gengfeng // Joule. 2018. Vol. 2, No. 8. P. 1610–1622. https://doi.org/10.1016/J.JOULE.2018.06.007

8. Rezania H. The effect of boron doping on the thermal conductivity of zigzag carbon nanotubes // Int. J. Mod. Phys. B. 2015. Vol. 29. P. 1550025. https://doi.org/10.1142/S0217979215500253

9. Kinetic study of boron doped carbon nanotubes synthesized using chemical vapour deposition / A. Sharma, A. Patwardhan, K. Dasgupta, J. B. Joshi // Chem. Eng. Sci. 2019. Vol. 207. P. 1341–1352. https://doi.org/10.1016/J.CES.2019.06.030

10. Boron-doping effects in carbon nanotubes / W. K. Hsu, S. Firth, P. Redlich, M. Terrones, H. Terrones, Y. Q. Zhu, N. Grobert, A. Schilder, R. J. H. Clark, H. W. Krotoa, D. R. M. Waltona // J. Mater. Chem. 2000. Vol. 10. P. 1425–1429. https://doi.org/10.1039/B000720J

11. Structural modification in carbon nanotubes by boron incorporation / M. Baibarac, M. L. Cantu, J. O. Sole, N. C. Pastor, P. G. Romero // Small. 2006. Vol. 2. P. 1075–1082. https://doi.org/10.1002/smll.200600148

12. Outer tube-selectively boron-doped double-walled carbon nanotubes for thermoelectric applications / H. Muramatsu, C.-S. Kang, K. Fujisawa, J. H. Kim, C.-M. Yang, S. Kim, J. H. Hong, Y. A. Kim, T. Hayashi // ACS Appl. Nano Mater. 2020. Vol. 3, No. 4. P. 3347–3354. https://doi.org/10.1021/acsanm.0c00075

13. Effect of boron doping on the electrical conductivity of metallicity-separated single walled carbon nanotubes / K. Fujisawa, T. Hayashi, M. Endo, M. Terrones, J. H. Kim, Y. A. Kim // Nanoscale. 2018. Vol. 10, No. 26. P. 12723–12733. https://doi.org/10.1039/c8nr02323a

14. Controllable boron doping of carbon nanotubes with tunable dopant functionalities: an effective strategy toward carbon materials with enhanced electrical properties / W.-H. Chiang, G.-L. Chen, C.-Y. Hsieh, S.-C. Lo // RSC Adv. 2015. Vol. 5. P. 97579–97588. https://doi.org/10.1039/C5RA20664B

15. Wang Q., Chen L. Q., Annett J. F. Stability and charge transfer of C3B ordered structures // Phys. Rev. B. 1996. Vol. 54. P. R2271. https://doi.org/10.1103/PHYSREVB.54.R2271

16. Field emission properties of boron and nitrogen doped carbon nanotubes / R. B. Sharma, D. J. Late, D. S. Joag, A. Govindaraj, C. N. R. Rao // Chem. Phys. Lett. 2006. Vol. 428. P. 102–108. https://doi.org/10.1016/J.CPLETT.2006.06.089

17. Adsorption of hydrogen on boron-doped graphene: A first-principles prediction / W. Han, Y. Bando, K. Kurashima, T. Sato // Journal of Applied Physics. 1999. Vol. 299. P. 366–368. https://doi.org/10.1063/1.3056380

18. Efficient production of B-substituted single-wall carbon nanotubes / E. BorowiakPalen, T. Pichler, G. G. Fuentes, A. Gra, R. J. Kalenczuk, M. Knupfer, J. Fink // Chem. Phys. Lett. 2003. Vol. 378. P. 516–520. https://doi.org/10.1016/S0009-2614(03)01324-1

19. New synthesis and physical property of low resistivity boron-doped multi-walled carbon nanotubes / S. Ishii, T. Watanabe, S. Ueda, S. Tsuda, T. Yamaguchi, Y. Takano // Physica C. 2008. Vol. 468. P. 1210–1213. https://doi.org/10.1016/j.physc.2008.05.034

20. Synthesis, analysis, and electrical property measurements of compound nanotubes in the B-C-N ceramic system / D. Golberg, Y. Bando, K. Kurashima, T. Sato // Diam. Relat. Mater. 2001. Vol. 10. P. 63–67. https://doi.org/10.1557/MRS2004.15

21. Handuja S., Srivastava P., Van Car V. D. Synthesis of iron nanometallic glasses and their application in cancer therapy by a localized fenton reaction // Synth. React. Inorg. Metal. Org. Nano Metal. Chem. 2007. Vol. 37. P. 485–450. https://doi.org/10.1002/anie.201510031

22. Запороцкова И. В. Углеродные и неуглеродные наноматериалы и композитные структуры на их основе: строение и электронные свойства. Волгоград: Изд-во ВолГУ, 2009. 490 с.

23. B-C-N nanotubes and boron doping of carbon nanotubes / P. Redlich, J. Loeffler, P. M. Ajayan, J. Bill, F. Aldinger, M. Riihle // Chem. Phys. Lett. 1996. Vol. 260. P. 465–470. https://doi.org/10.1016/0009-2614(96)00817-2

24. Effects of nanodomain formation on the electronic structure of doped carbon nanotubes / D. L. Carroll, P. Redlich, X. Blase, J. C. Charlier, S. Curran, P. M. Ajayan, S. Roth, M. Rühle // Phys. Rev. Lett. 1998. Vol. 81. P. 2332–2335. https://doi.org/10.1103/PHYSREVLETT.81.2332

25. Sankaran M., Viswanathan B. Hydrogen storage in boron substituted carbon nanotubes // Carbon. 2007. Vol. 45. P. 1628–1635. https://doi.org/10.1016/J.CARBON.2007.04.011

26. Handuja S., Srivastava P., Vankar V. D. Structural modification in carbon nanotubes by boron incorporation // Nanoscale Research Letters. 2009. Vol. 4, No. 8. P. 789–793. https://doi.org/10.1007/s11671-009-9315-9

27. Study of interaction of BCn-type borocarbon nanotubes with alkali metal atoms / S. V. Boroznin, I. V. Zaporotskova, N. P. Boroznina, Z. A. Zhitnikov // AIP Conference Proceedings. 2020. Vol. 2313. P. 030001. https://doi.org/10.1063/5.0033073

28. О взаимодействии бороуглеродных нанотруб с металлами / С. В. Борознин, Н. П. Поликарпова, П. А. Запороцков, И. В. Запороцкова // Физика волновых процессов и радиотехнические системы. 2015. Т. 18, № 2. С. 20–24.

29. Boroznin S. V., Zaporotskova I. V., Streltsova D. V. Investigation of BC5 nanotube interaction with alkaline metal atoms // AIP Conference Proceedings. 2019. Vol. 2174. P. 020011. https://doi.org/10.1063/1.5134162