1561-5405 10.24151/1561-5405 Proceedings of Universities. Electronics Scientifical and technical journal "Proceedings of Universities. Electronics" Научно-технический журнал «Известия высших учебных заведений. Электроника» 1561-5405 2587-9960 National Research University of Electronic Technology Национальный исследовательский университет "Московский институт электронной техники" 10.24151/1561-5405-2021-26-6-447-458ДК 620.3:544.225.22Mатериалы электроникиElectronic Properties of Graphene Nanoribbons Doped with Pyrrole-Like NitrogenЭлектронные свойства графеновых нанолент, допированных пирролоподобным азотомШунаев Владислав Викторович ШунаевВладислав Викторович ViktorovichShunaev VladislavShunaev Vladislav ViktorovichГерасименко Александр ЮрьевичГерасименкоАлександр ЮрьевичGerasimenkoAlexander Yu.Alexander Yu. GerasimenkoГлухова Ольга Евгеньевна ГлуховаОльга Евгеньевна EvgenevnaGlukhova OlgaGlukhova Olga EvgenevnaСаратовский национальный исследовательский государственный университет имени Н.Г. Чернышевского, г. Саратов, Россия Национальный исследовательский университет «МИЭТ», г. Москва, Россия; Первый Московский государственный медицинский университет имени И.М. Сеченова, г. Москва, Россия Первый Московский государственный медицинский университет имени И. М. Сеченова Минздрава России, г. Москва, Россия; Саратовский национальный исследовательский государственный университет имени Н. Г. Чернышевского, г. Саратов, Россия447458http://ivuz-e.ru/issues/6-_2021/elektronnye_svoystva_grafenovykh_nanolent_dopirovannykh_pirrolopodobnym_azotom/

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 «armchair» type nanoribbons. Nitrogen doped «zigzag» graphene nanoribbons may be a promising chemoresistive element of nanosensors; however, these conclusions require further calculations.

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 графеновой 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 наносенсоров, однако данные выводы требуют дальнейших расчетов.

графеновые нанолентыпирролымолекулярное моделированиезонная структураэнергетическая щельработа выполнена при финансовой поддержке Минобрнауки России (проект № FSRR-2020-0004). Electric field effect in atomically thin carbon films / K.S. Novoselov, A.K. Geim, S.V. Morozov et al. // Science. 2004. Vol. 306. Iss. 5696. P. 666–669. DOI: https://doi.org/10.1126/science.1102896Lee 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.1157996Szczęśniak B., Choma J., Jaroniec M. Gas adsorption properties of graphene-based ma-terials // Advances in Colloid and Interface Science. 2017. Vol. 243. P. 46–59. DOI: https://doi.org/10.1016/ j.cis.2017.03.007Wen H., Guo B., Kang W., Zhang C. Free-standing nitrogen-doped graphene paper for li-thium storage application // RSC Advances. 2018. Vol. 8. Iss. 25. P. 14032–14039. DOI: https://doi.org/10.1039/C8RA01019FA 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/C5TA05759KElessawy 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-xLei 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/C8NJ02170HN-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.201303768Foroughi 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/j.jelechem.2018.09.008Nitrogen-doped graphene sheets grown by chemical vapor deposition: synthesis and in-fluence 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/nn402102yQu L., Liu Y., Baek J.-B., Dai L. Nitrogen-doped graphene as efficient metal-free elec-trocatalyst for oxygen reduction in fuel cells // ACS Nano. 2010. Vol. 4. No. 3. P. 1321–1326. DOI: https://doi.org/ 10.1021/nn901850uNitrogen-doped graphene: efficient growth, structure, and electronic properties / D. Usachov, O. Vilkov, A. Grüneis et al. // Nano Lett. 2011. Vol. 11. No. 12. P. 5401–5407. DOI: https://doi.org/10.1021/nl2031037Solvothermal synthesis of nitrogen-doped graphene decorated by superparamagnetic Fe3O4 nanoparticles 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.2017.01.036Strong 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/nl400368vSingle 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/srep05639Nitrogen-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.2014.02.057Zeng 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/ 10.1063/1.4882159Aminated 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/10.1063/1.4711771Unveiling 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/ab9695Nath P., Chowdhury S., Sanyal D., Jana D. Ab-initio calculation of electronic and opti-cal properties of nitrogen and boron doped graphene nanosheet // Carbon. 2014. Vol. 73. P. 275–282. DOI: https://doi.org/ 10.1016/j.carbon.2014.02.064Herath D., Dinadayalane T. Computational investigation of double nitrogen doping // J. Mol. Model. 2018. Vol. 24. Art. No. 26. DOI: https://doi.org/10.1007/s00894-017-3560-0Al-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/jp206196kMoon 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/C8CP06159ADong Y., Gahl M.T., Zhang C., Lin J. Computational study of precision nitrogen dop-ing on graphene nanoribbon edges // Nanotechnology. 2017. Vol. 28. No. 50. Art. ID: 505602. DOI: https://doi.org/10.1088/ 1361-6528/aa9727Active 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.aad0832Liu 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 compu-tational study // Phys. Chem. Chem. Phys. 2016. Vol. 18 (7). P. 5491–5498. DOI: https://doi.org/10.1039/C5CP07458DNitrogen-doped graphene for high-performance ultracapacitors and the importance of ni-trogen-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/nl2009058Single-site pyrrolic-nitrogen-doped sp2-hybridized carbon materials and their pseudoca-pacitance / 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-ySelf-consistent-charge density-functional tight-binding method for simulations of com-plex 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.58.7260Parr R.G., Pearson R.G. Absolute hardness: companion parameter to absolute electro-negativity // J. Am. Chem. Soc. 1983. Vol. 105. No. 26. P. 7512–7516. DOI: https://doi.org/10.1021/ja00364a005Gaus 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/ct300849wInvestigation of edge-selectively nitrogen-doped metal free graphene for oxygen reduc-tion reaction / H. He, Q. Yang, S. Xiao et al. // Journal of Advances in Nanotechnology. 2020. Vol. 1. Iss. 2. P. 5–13.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/nn103584tBarone 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/nl0617033Lemes 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