Першопринципні дослідження електронних та магнітних властивостей нанотрубок карбіду кремнію, легованих галієм
Анотація
Ця робота досліджує електронні та магнітні характеристики нанотрубок карбіду кремнію (SiCNT), легованих галієм (Ga), за допомогою першопринципних розрахунків. Розглянуто два рівні легування (8,3% і 16,6%), де атоми Ga заміщують атоми кремнію в одностінних (6,0) SiCNT. Аналіз спін-поляризованої зонної структури показує, що система змінюється від напівпровідникової при нижчому рівні легування до напівметалічної при вищих концентраціях, що свідчить про значний потенціал для застосувань у спінтроніці. Аналіз густини станів і зарядів за Бадером демонструє, що введення Ga змінює розподіл заряду та орбітальні взаємодії, зокрема між станами Ga 5d та C 2p. Розрахунки магнітного моменту показують, що Ga індукує локалізований магнетизм переважно на сусідніх атомах вуглецю, а загальна намагніченість зростає зі збільшенням рівня легування. Порівняння енергій для феромагнітної та антиферомагнітної конфігурацій вказує на антиферомагнітний основний стан, тоді як оцінка енергії утворення підтверджує термодинамічну сприятливість заміщення Ga у позиціях Si. Загалом отримані результати підкреслюють, що Ga-леговані SiCNT є перспективними та керовано налаштовуваними матеріалами для майбутніх наноелектронних і спінтронних пристроїв.
Завантаження
Посилання
E.C. Ahn, “2D materials for spintronic devices,” npj 2D Materials and Applications, 4, 17 (2020). https://doi.org/10.1038/s41699-020-0152-0
Md. M. Uddin, et al.: “Graphene-like emerging 2D materials: recent progress, challenges and future outlook,” RSC Advances, 13, 33336–33375 (2023). https://doi.org/10.1039/D3RA04456D
Md. A. Islam, et al.: “Recent advances of 2D materials in semiconductor application: A review,” Advanced Sensor and Energy Materials, 100161 (2025). https://doi.org/10.1016/j.asems.2025.100161
B. Baumeier, P. Krüger, and J. Pollmann, “Structural, elastic, and electronic properties of SiC, BN, and BeO nanotubes,” Physical Review B, 76, 085407 (2007). https://doi.org/10.1103/PhysRevB.76.085407
C.L. Frewin, C. Locke, S.E. Saddow, and E.J. Weeber, “Single-crystal cubic silicon carbide: an in vivo biocompatible semiconductor for brain–machine interface devices,” Proceedings of the Annual International Conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society, 2957–2960 (2011). https://doi.org/10.1109/IEMBS.2011.6090582
J.S. Ponraj, S.C. Dhanabalan, G. Attolini, and G. Salviati, “SiC nanostructures toward biomedical applications and its future challenges,” Critical Reviews in Solid State and Materials Sciences, 41, 430–446 (2016). https://doi.org/10.1080/10408436.2016.1150806
S.E. Saddow, C. Frewin, et al.: “Single-crystalline silicon carbide: A biocompatible and hemocompatible semiconductor for advanced biomedical applications,” Materials Science Forum, 679–680, 824–830 (2011). https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/MSF.679-680.824
S.M.S.H. Rafin, et al.: “Power electronics revolutionized: A comprehensive analysis of emerging wide and ultrawide bandgap devices,” Micromachines, 14(11), 2045 (2023). https://doi.org/10.3390/mi14112045
M.A. Mahdy, S.H. Kenawy, E.M.A. Hamzawy, G.T. El-Bassyouni, and I.K. El Zawawi, “Influence of silicon carbide on structural, optical and magnetic properties of Wollastonite/Fe₂O₃ nanocomposites,” Ceramics International, 47(9), 12047–12055 (2021). https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2021.01.048
A. Du, and S.C. Smith, “Silicon carbide nanotubes functionalized by transition metal atoms: a density functional study,” The Journal of Physical Chemistry C, 111(52), 20295–20300 (2007). https://doi.org/10.1021/jp073722m
S. Yan, et al.: “Transition metal induced magnetization in zigzag silicon carbide nanotubes,” Journal of Computational Electronics, 22, 203–212 (2023). https://doi.org/10.1007/s10825-023-02030-y
J.X. Zhao, and Y.H. Ding, “Silicon carbide nanotubes functionalized by transition metal atoms: A density-functional study,” The Journal of Physical Chemistry C, 112, 2558–2564 (2008). https://doi.org/10.1021/jp073722m
H. Heidarzadeh, “Transition metal-doped 3C-SiC as a promising material for intermediate band solar cells,” Optical and Quantum Electronics, 51, 32 (2019). https://doi.org/10.1007/s11082-019-1742-y
A.T. Mulatu, K.N. Nigussa, and L.D. Deja, “Electronic and optical properties of TM-doped (8,0) SiC single-walled nanotubes and the prospect of hydrogen storage,” Optical Materials, 134, 113094 (2022). https://doi.org/10.1016/j.optmat.2022.113094
Ch. Vatankhah, and H.A. Badehian, “Electronic and optical properties of armchair silicon carbide nanotubes from first principles,” Optik, 237, 166740 (2021). https://doi.org/10.1016/j.ijleo.2021.166740
W. Wang, J. Xu, Y. Zhang, and G. Li, “First-principles study of electronic structure and optical properties of silicon/carbon nanotube,” Computational Chemistry, 5, 159–171 (2017). https://doi.org/10.4236/cc.2017.54013
M.N. Huda, and A. Ray, “Evolution of SiC nanocluster from carbon fullerene: A density functional theoretic study,” Chemical Physics Letters, 457(1–3), 124–129 (2008). https://doi.org/10.1016/j.cplett.2008.03.057
R.Z. Ibaeva, V.N. Jafarova, V.I. Eminova, I.-C. Scurtu, and S. Lupu, “First-principles study of electronic and magnetic properties of Ag- and Au-doped single-walled (6,0) SiC nanotubes: DFT study,” Journal of Nanoparticle Research, 26(9), 203 (2024). https://doi.org/10.1007/s11051-024-06109-w
V.N. Jafarova, S.S. Rzayeva, I.-C. Scurtu, C. Stanca, N. Acomi, and G. Raicu, “Prediction of ferromagnetism in GaN:Ag and SiC:Ag nanotubes,” Advances in Natural Sciences: Nanoscience and Nanotechnology, 15(3), 035012 (2024). https://doi.org/10.1088/2043-6262/ad71a7
V.N. Jafarova, V.I. Eminova, M.A. Musaev, and I.-C. Scurtu, “Prediction of ferromagnetic characteristics of gold-doped SiC nanotubes for application in spintronic devices,” Technium, 26, 1–8 (2025). https://doi.org/10.47577/technium.v26i.12149
N.T. Tien, P.T.B. Thao, V.N. Jafarova, and D. Dey Roy, “Predicting model for device density of states of quantum-confined SiC nanotube with magnetic dopant: An integrated approach utilizing machine learning and density functional theory,” Silicon, 1–19 (2024). https://doi.org/10.1007/s12633-024-03127-0
S. Rzayeva, V.N. Jafarova, and D.D. Roy, “First-principles prediction of ferromagnetism and Curie temperature for transition metals doped single-walled (6,0) SiC nanotubes: Materials for application in spintronics,” Materials Science in Semiconductor Processing, 197, 109702 (2025). https://doi.org/10.1016/j.mssp.2025.109702
S. Rzayeva, and V.N. Jafarova, “Electronic and magnetic properties of cobalt-doped SiCNT: A first-principles study,” Journal of Polytechnic, 28(3), 947–955 (2025). https://doi.org/10.2339/politeknik.1536597
A.Q. Wu, Q.G. Song, and L. Yang, “First-principles study on Al or/and P doped SiC nanotubes,” Advanced Materials Research, 510, 747–752 (2012). https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/AMR.510.747
A.A. Peyghan, A. Soltani, A.A. Pahlevani, Y. Kanani, and S. Khajeh, “A first-principles study of the adsorption behavior of CO on Al- and Ga-doped single-walled BN nanotubes,” Applied Surface Science, 270, 25–32 (2013). https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2012.12.008
M.D. Mohammadi, H.Y. Abdullah, G. Biskos, and S. Bhowmick, “Effect of Al- and Ga-doping on the adsorption of H₂SiCl₂ onto the outer surface of boron nitride nanotube: A DFT study,” Comptes Rendus Chimie, 24(2), 291–304 (2021). https://doi.org/10.5802/crchim.87
H. Tavakol, and H. Haghshenas, “A DFT study on the interaction of doped carbon nanotubes with H₂S, SO₂, and thiophene,” Quantum Reports, 3(3), 366–375 (2021). https://doi.org/10.3390/molecules26030223
S.S. Hardisty, X. Lin, A.R.J. Kucernak, and D. Zitoun, “Single-atom Pt on carbon nanotubes for selective electrocatalysis,” Carbon Energy, 6(1), e409 (2023). https://doi.org/10.1002/cey2.409
Y.S. Itas, R. Razali, S. Tata, A.M. Idris, and M.U. Khandaker, “Studies of the hydrogen energy storage potentials of Fe- and Al-doped silicon carbide nanotubes (SiCNTs) by optical adsorption spectra analysis,” Journal of Energy Storage, 72, 108534 (2023). https://doi.org/10.1016/j.est.2023.108534
W. Liu, Q. Li, X. Yang, X. Chen, and X. Xu, “Synthesis and characterization of N-doped SiC powder with enhanced photocatalytic and photoelectrochemical performance,” Catalysts, 10, 769 (2020). https://doi.org/10.3390/catal10070769
U. Adharsh, R. Akash, A. Sakthi Balaji, D. John Thiruvadigal, R.M. Hariharan, J. Sneha, V. Abinaya, and K.J. Sivasankar, “Chemical functionalization of silicon carbide nanotube (SiCNT): First principles DFT study,” ECS Journal of Solid State Science and Technology, 12, 111001 (2023). https://doi.org/10.1149/2162-8777/ad0327
S.I. Vlaskina, et al.: “Nano silicon carbide’s stacking faults, deep levels and grain boundary defects,” Journal of Nano- and Electronic Physics, 10(5), 05021 (2018). https://doi.org/10.21272/jnep.10(5).05021
W. Kohn, and L.J. Sham, “Self-consistent equations including exchange and correlation effects,” Physical Review, 140, A1133–A1138 (1965). https://doi.org/10.1103/PhysRev.140.A1133
V.N. Jafarova, “Structural, electronic and magnetic properties of pure and Fe-doped ZnSe: First-principles investigation,” Pramana – Journal of Physics, 98, 82–93 (2024). https://doi.org/10.1007/s12043-024-02752-z
M. Fuchs, and M. Scheffler, “Ab initio pseudopotentials for electronic structure calculations of polyatomic systems using density functional theory,” Computer Physics Communications, 119, 67–98 (1999). https://doi.org/10.1016/S0010-4655(98)00201-X
M. Cococcioni, and S. de Gironcoli, “A linear response approach to the calculation of the effective interaction parameters in the LDA+U method,” Physical Review B, 71, 035105 (2005). https://doi.org/10.1103/PhysRevB.71.035105
S.L. Dudarev, G.A. Botton, S.Y. Savrasov, C.J. Humphreys, and A.P. Sutton, “Electron-energy-loss spectra and the structural stability of nickel oxide: An LSDA+U study,” Physical Review B, 57, 1505–1509 (1998). https://doi.org/10.1103/PhysRevB.57.1505
A.I. Liechtenstein, V.I. Anisimov, and J. Zaanen, “Density-functional theory and strong interactions: Orbital ordering in Mott–Hubbard insulators,” Physical Review B, 52, R5467–R5470 (1995). https://doi.org/10.1103/PhysRevB.52.R5467
S.C. North, K.R. Jorgensen, J. Pricetolstoy, and A.K. Wilson, “Population analysis and the effects of Gaussian basis set quality and quantum mechanical approach: Main group through heavy element species,” Frontiers in Chemistry, 11, 1152500 (2023). https://doi.org/10.3389/fchem.2023.1152500
W. Gough, “The graphical analysis of a Lorentzian function and a differentiated Lorentzian function,” Journal of Physics A: General Physics, 1, 704–709 (1968). https://doi.org/10.1088/0305-4470/1/6/309
H.J. Monkhorst, and J.D. Pack, “Special points for Brillouin-zone integrations,” Physical Review B, 13, 5188–5192 (1976). https://doi.org/10.1103/PhysRevB.13.5188
Авторське право (c) 2026 Вусала Набі Джафарова, Хаяла Аждар Гасанова, Наїла Адам Гардашбейова, Аділа Адам Гулієва, Іонут Крістіан Скурту
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).
