Комп'ютерне моделювання дослідження процесів адсорбції вуглецевих кластерів C20@Cn та C60@Cn (n=1-5) на реконструйованій поверхні кремнію Si(001)
Анотація
У сучасній галузі нанотехнологій однією з вимог сучасного напрямку є здатність вуглецевих наноструктур мати міцний зв'язок з поверхнею підкладки серед матеріалів, утворених внаслідок взаємодії різних підкладок з поверхнею різних підкладок. Вивчення та ідентифікація нових структур з подібними властивостями є однією з проблем, що стоять перед сучасними теоретичними дослідженнями. Поточна дослідницька робота була проведена як одне з рішень вищезазначених проблем, в якій адсорбція молекул фулерену на кремнієвих підкладках за допомогою методу молекулярної динаміки (МД) є продовженням нашої роботи з адсорбції молекул фулерену C20 та C60 на поверхні кремнію Si(001), реконструйованого вуглецевими кластерами Cn (n=1-5), була змодельована за допомогою пакета з відкритим кодом LAMMPS на основі методу молекулярної динаміки. Використовуючи міжатомний потенціал Терсоффа, було виражено взаємодії між атомами субстрату, кластером Cn та молекулами фулерену, а також визначено енергії адсорбції вуглецевих кластерів C20@Cn та C60@Cn, довжину та природу зв'язків Si-C, а також стабільні стани адсорбції в траншеях та рядах димерів.
Завантаження
Посилання
A.J. Du, Z. Y. Pan, Y. K. Ho, Z. Huang, and Z. X. Zhang, “Memory effect in the deposition of C20 fullerenes on a diamond surface,” Physical Review B, 66, 035405 (2002). https://doi.org/10.1103/PhysRevB.66.035405
S. Thakral, and R.M. Mehta, “Fullerenes: An introduction and overview of their biological properties,” Indian journal of pharmaceutical science, 68(1), 13-19 (2006). https://doi.org/10.4103/0250-474X.22957
S. Park, D. Srivastava, and K. Cho, “Endo-fullerenes and doped bucky onions as seed materials for solid state quantum bits,” in: Materials Research Society Symposium Proceedings. Volume 675. Nanotubes, Fullerenes, Nanostructured and Disordered Carbon, (San Francisco, California, USA, 2001). https://apps.dtic.mil/sti/tr/pdf/ADP012136.pdf
QIPD-DF, an EU funded project. http://planck.thphys.may.ie/QIPDDF
W. Harneit, “Fullerene-based electron-spin quantum computer,” Phys. Rev. A, 65, 184 (2002). https://doi.org/10.1103/PhysRevA.65.032322
C. Meyer, W. Harneit, B. Naydenov, K. Lips, and A. Weidinger, “N@C60 and P@C60 as quantum bits,” Appl. Magn. Reson. 27, 123–132 (2004). https://doi.org/10.1007/BF03166307
J. Lee, and M. Kang, “Structure and bonding nature of C60/Si(100)-c(4×4): density-functional theory calculations,” Phys. Rev. B, 7, 25305.1–25305.5 (2007). https://doi.org/10.1103/PhysRevB.75.125305
O. Senftleben, T. Stimpel-Lindner, I. Eisele, and H. Baumgaertner, “Epitaxial silicon overgrowth of C60 on the Si(100)-2×1 surface,” Surf. Sci. 602, 493–498 (2008). https://doi.org/10.1016/j.susc.2007.10.043
F. Yasunori, S. Koichiro, and K. Atsushi, “Transition of an adsorption state of C60 on a Si(111)7×7 surface revealed by high-resolution electron-energy-loss spectroscopy,” Physical Review B, 56, 12124 (1997). https://doi.org/10.1103/PhysRevB.56.12124
D.A. Olyanich, V.V. Mararov, T.V. Utas, A.V. Zotov, and A.A. Saranin, “Adsorption and self-assembly of fullerenes on Si(111) √3+√3 Ag: C60 versus C70,” Surface Science, 653, 138-142 (2016). https://doi.org/10.1016/j.susc.2016.06.016
S. Suto, K. Sakamoto, D. Kondo, T. Wakita, A. Kimura, A. Kakizaki, C.-W. Hu, et al., “Interaction of C60 with Si(111)7×7 and Si(100)2×1 surfaces studied by STM, PES and HREELS: annealing effect,” Surface Science, 438, 242-247 (1999). https://doi.org/10.1016/S0039-6028(99)00576-2
W. Haiqian, Z. Changgan, L. Qunxiang, W. Bing, Ya. Jinlong, J.G. Hou, and Q. Zhu, “Scanning tunneling spectroscopy of individual C60 molecules adsorbed on Si(111)-7×7 surface,” Surface Science, 442, 1024-1028 (1999). https://doi.org/10.1016/S0039-6028(99)00977-2
O. Kazuhiro, N. Masashi, U. Hirobumi, K. Tetsuo, Ya. Yoshiyuki, M. Kozo, J. Yoshinobu, et al., “Regioselective cycloaddition reaction of alkene molecules to the asymmetric dimer on Si(100)c(4x2),” J. Am. Chem. Soc. 129, 1242-1245 (2007). https://doi.org/10.1021/ja066285i
Ch. Dong, and S. Dror, “Temperature effects of adsorption of C60 molecules on Si(111)-(7×7) surfaces,” Physical Review B, 49, 7612 (1994). https://doi.org/10.1103/PhysRevB.49.7612
L.J. Yo, and H.K. Myung, “Adsorption structure of a single C60 molecule on Si(111)-(7×7): density-functional calculations,” Surface Science, 602, 1408-1412 (2008). https://doi.org/10.1016/j.susc.2008.02.014
P.D. Godwin, S.D. Kenny, R. Smith, and J. Belbruno, “The structure of C60 and endohedral C60 on the Si(100) surface,” Surface Science, 490, 409–414 (2001). https://doi.org/10.1016/S0039-6028(01)01365-6
P.D. Godwin, S.D. Kenny, and R. Smith, “The bonding sites and structure of C60 on the Si(100) surface,” Surf. Sci. 529, 237 246 (2003). https://doi.org/10.1016/S0039-6028(03)00074-8
B. Khaoula, D. Eric, S. Regis, H. Marie-Christine, and S. Philippe, “C60 molecules grown on a Si-supported Nanoporous Supramolecular Network: a DFT study,” Physical Chemistry Chemical Physics, 16(28), 14722–14729 (2014). https://doi.org/10.1039/C4CP01677G
I.Z. Urolov, I.D. Yadgarov, F.F. Umarov, G.T. Rakhmanov, and Kh.I. Jabbarov, “Computer Simulation of Adsorption of C60 Fullerene Molecule on Reconstructed Si(100) Surface,” East Eur. J. Phys. (2), 256-262 (2024). https://doi.org/10.26565/2312-4334-2024-2-25
J. Coro, M. Suarez, L.S.R. Silva, K.I.B. Eguiluz, and G.R. Salazar-Banda, “Fullerene applications in fuel cell: a review,” International journal of hydrogen energy, 41(40), 17944-17959 (2016). https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2016.08.043
M. Yoon, S. Yang, E. Wang and Z. Zhang, “Charged Fullerenes as High-Capacity Hydrogen Storage Media,” Nano letters, 7, 2578-2583 (2007). https://doi.org/10.1021/nl070809a
H.J. Ren, C.X. Cui, X.J. Li, and Y.J. Liu, “A DFT study of the hydrogen storage potentials and properties of Na- and Li-doped fullerenes,” 42(1), 312-321 (2017). https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2016.10.151
M.H. Yun, J.W. Kim, S.Y. Park, D.S. Kim, B. Walker, and J.Y. Kim, “High-efficiency, hybrid Si/C60 heterojunction solar cells,” Journal of materials chemistry A, 4, 16410-16417 (2016). https://doi.org/10.1039/c6ta02248k
T. Gattia, E. Mennaa, M. Meneghettia, M. Magginia, A. Petrozzab, and F. Lamberti, “The Renaissance of fullerenes with perovskite solar cells,” Nano energy, 41, 84 (2017). https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2017.09.016
F. Moussa, “5-[60] Fullerene and derivatives for biomedical applications,” Nanobiomaterials, 113-136 (2018). https://doi.org/10.1016/B978-0-08-100716-7.00005-2
S. Thakral, and R.M. Mehta, “Fullerenes: An Introduction and Overview of Their Biological Properties Biological Properties,” Indian Journal of Pharmaceutical Sciences, 68, 13-19 (2006). https://doi.org/10.4103/0250-474X.22957
M.E. Turan, Y. Sun, and Y. Akgul, “Mechanical, tribological and corrosion properties of fullerene reinforced magnesium matrix composites fabricated by semi powder metallurgy,” Journal of alloys and compounds, 740, 1149-1158 (2018). https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2018.01.103
S. Bronnikov, A. Podshivalov, S. Kostromin, M. Asandulesa, and V. Cozan, “Electrical conductivity of polyazomethine/fullerene C60 nanocomposites,” Physics letters A, 381, 796-800 (2017). http://dx.doi.org/10.1016/j.physleta.2016.12.045
P.A. Kumar, V.V. Namboodiri, G. Joshi, and K.P. Mehta, “Fabrication and applications of fullerene-based metal nanocomposites: A review,” Journal of materials research, 36, 114-128 (2021). http://dx.doi.org/10.1557/s43578-020-00094-1
S. Yao, X. Yuan, L. Jiang, T. Xiong, and J. Zhang, “Recent progress on fullerene-based materials: synthesis, properties, modifications, and photocatalytic applications,” Materials, 13, 1-39 (2020). https://doi.org/10.3390/ma13132924
I.D. Yadgarov, F.F. Umarov, A.S. Kosimov, Kh.I. Jabbarov, and Sh.Y. Aminov, “Simulation of interaction processes of C20 fullerene with graphene,” East Eur. J. Physics, (4), 226-230 (2023). https://doi.org/10.26565/2312-4334-2023-4-28
J. Li, Y. Cui, and L. Zhang, “C60 adsorption on defective Si(100) surface having one missied dimer from atomic simulations at electrical level,” Arabian journal of chemistry, 16, 104816 (2023). https://doi.org/10.1016/j.arabjc.2023.104816
H.W. Kroto, J.R. Heath, S.C. O’Brein, R.F. Curl and R.E. Smalley, “C60: Buckminsterfullerene,” Nature, 318, 162–163 (1985). https://doi.org/10.1038/318162a0
M. Paukov, Ch. Kramberger, I. Begichev, M. Kharlamova, and M. Burdanova, “Functionalized fullerenes and their applications in electrochemistry, solar cells, and nanoelectronics,” Materials, 16, 1276 (2023). https://doi.org/10.3390/ma16031276
M. Huijing, F. Xuyang, K. Shuangyu, and C. Yingxiang, “Adsorption geometries and interface electronic structure of C60 on Si(100)2×1 reconstruction surface,” Surface Science, 690, 121484 (2019). https://doi.org/10.1016/j.susc.2019.121484
M. Juris, “Goldberg variations challenge,” Analytical and Bioanalytical Chemistry, 385(1), 6–7 (2006). https://doi.org/10.1007/s00216-006-0358
Y. Miyamoto, and M. Saito, “Condensed phases of all-pentagon C20 cages as possible superconductors,” Phys. Rev. B, 63, 161401 (2001). https://doi.org/10.1103/PhysRevB.63.161401
M. Saito and Y. Miyamoto, “Theoretical Identification of the Smallest Fullerene, C20,” Physical review letters, 87(3), 035503 (2001). https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.87.035503
I. Spagnolatti, M. Bernasconi, and G. Benedek, “Electron-phonon interaction in the solid form of the smallest fullerene C20,” Europhys. Lett. 59(4), 572–578 (2002). https://doi.org/10.1209/epl/i2002-00384-1
F. Lin, E.S. Sorenson, C. Kallin, and A.J. Berlinsky, “C20, the smallest fullerene,” in: Handbook of Nanophysics: Clusters and Fullerenes, edited by K.D. Sattler, (CRC Press, 2009).
W.M. Haynes, Handbook of chemistry and physics, 97th edition, (CRC press, 2017), pp. 4-33.
R. Taylor, J.P. Hare, A.K. Abdul-Sada, and H.W. Kroto, “Isolation, separation and characterisation of the fullerenes C60 and C70: the third form of carbon,” J. Chem. Soc. Chem. Commun. 1423, (1990). https://doi.org/10.1039/c39900001423
Sandia National Laboratories, Large-scale Atomic/Molecular Massively Parallel Simulator (LAMMPS), 2023, https://www.lammps.org/
P. Erhart, and K. Albe, “Analytical potential for atomistic simulations of silicon, carbon, and silicon carbide,” Physical Review B, 71, 035211 (2005). https://doi.org/10.1103/PhysRevB.71.035211
Java, Jmol, 2023, http://www.jmol.org/
W.G. Hoover, “Canonical dynamics: Equilibrium phase-space distributions”, Physical Review A, 31, 1695 (1985). https://doi.org/10.1103/PhysRevA.31.1695
Y.S. Al-Hamdani, et al., “Properties of the water to boron nitride interaction: From zero to two dimensions with benchmark accuracy,” Journal of Chemical Physics, 144, 154706 (2016). https://doi.org/10.1063/1.4985878
D.C. Sorescu, et al., “First-principles calculations of the adsorption, diffusion, and dissociation of a CO molecule on the Fe (100) surface,” Physical Review B, 66, 035416 (2002). https://doi.org/10.1103/PhysRevB.66.035416
C. Zhou, J. Wu, B. Han, S. Yao, and H. Cheng, “Adsorption of fullerenes Cn (n=32,36,40,44,48,60) on the GaAs(001)-c(4times4) reconstructed surface,” Physical review B, 73, 195234 (2006).
F. Demiray, I. Sidir, and Y.G. Sidir, “Structural and electronic properties of cyanide-coated fullerene C20@(CN)n (n = 0–20): An ab initio approach,” The European physical journal plus, 131, 250 (2016). https://doi.org/10.1140/epjp/i2016-16250-0
T. Sergeieva, D. Mandal, and D.M. Andrada, “Chemical Bonding in Silicon Carbonyl Complexes,” Chemistry – A European journal, 27, 1-10 (2021). http://dx.doi.org/doi.org/10.1002/chem.2021
W. Tan, et al., “Fullerene-like elastic carbon coatings on silicon nanoparticles by solvent controlled association of natural polyaromatic molecules as high-performance lithium-ion battery anodes,” Energy storage materials, 45, 412-421 (2022). https://doi.org/10.1016/j.ensm.2021.11.040
Авторське право (c) 2025 Ікром З. Уролов, Фарід Ф. Умаров, Ішмумін Д. Ядгаров, Ганібой Т. Рахманов, Хайтмурод І. Джабборов
Цю роботу ліцензовано за Міжнародня ліцензія Creative Commons Attribution 4.0.
Автори, які публікуються у цьому журналі, погоджуються з наступними умовами:
- Автори залишають за собою право на авторство своєї роботи та передають журналу право першої публікації цієї роботи на умовах ліцензії Creative Commons Attribution License, котра дозволяє іншим особам вільно розповсюджувати опубліковану роботу з обов'язковим посиланням на авторів оригінальної роботи та першу публікацію роботи у цьому журналі.
- Автори мають право укладати самостійні додаткові угоди щодо неексклюзивного розповсюдження роботи у тому вигляді, в якому вона була опублікована цим журналом (наприклад, розміщувати роботу в електронному сховищі установи або публікувати у складі монографії), за умови збереження посилання на першу публікацію роботи у цьому журналі.
- Політика журналу дозволяє і заохочує розміщення авторами в мережі Інтернет (наприклад, у сховищах установ або на особистих веб-сайтах) рукопису роботи, як до подання цього рукопису до редакції, так і під час його редакційного опрацювання, оскільки це сприяє виникненню продуктивної наукової дискусії та позитивно позначається на оперативності та динаміці цитування опублікованої роботи (див. The Effect of Open Access).
