Аннотация результатов, полученных в 2025 году
1) Получены атомистические модели шести структурных конфигураций бесшовных соединений графен-ОУНТ с нанотрубками (6,5), (11,10), (12,6), (14,4), (15,6) и (16,0), супер-ячейки которых характеризуются отрицательной величиной энергии связи (порядка -0.1 ÷ -0.2 эВ/атом). Для отобранных структурных конфигураций проведены расчеты электронно-энергетических (уровень Ферми) и электрофизических (электропроводность, сопротивление, подвижность) параметров при варьировании расстояний между нанотрубками в диапазоне 3-5 нм и их длины в диапазоне 2-9 нм. На основе полученных результатов для дальнейших исследований выбрана супер-ячейка гибридной структуры графен-ОУНТ (16,0), которая характеризуется значением уровня Ферми -4.93 эВ, величиной сопротивления 14.7 кОм (проводимостью 0.07 мСм) и подвижностью электронов 19. 98 м2/(с*В). 2) Проведена параметризация метода SCC DFTB для физически корректного описания взаимодействия между атомами оксидов металлов и атомами углерода при формировании интерфейса графен-ОУНТ/оксид металла. 3) Установлено, что наиболее энергетически выгодным является способ осаждения оксидов металла на поверхность гибридной пленки графен-ОУНТ в виде наночастиц. На основании результатов расчета энергии связи были определены оптимальные варианты расположения наночастиц, характеризующиеся наибольшей по модулю величиной энергии связи. 4) На основе рассчитанных распределений атомного заряда для супер-ячеек интерфейсов графен-ОУНТ/оксид металла (Al2O3, TiO2 и HfO2) с различным числом наночастиц оксида металла установлено, что в случае интерфейса графен-ОУНТ/Al2O3 наблюдается трансфер заряда с углеродного каркаса на наночастицы Al2O3, причем с ростом числа частиц величина переданного заряда увеличивается, достигая 0.69e (е-заряд электрона) при максимальной рассмотренной концентрации Al2O3. Для интерфейса графен-ОУНТ/TiO2 трансфер заряда происходит с наночастиц TiO2 на углеродный каркас и его суммарная величина составляет 4.7e для максимальной рассмотренной концентрации TiO2. Для интерфейса графен-ОУНТ/HfO2 трансфер заряда также происходит с оксида металла на углеродный каркас и его суммарная величина при максимальной рассмотренной концентрации HfO2 составляет 1.15e. 5) Выявлены закономерности влияния оксидов металла на электронно-энергетические (уровень Ферми) и электрофизические (подвижность носителей, сопротивление/проводимость) характеристики структур графен-ОУНТ. Установлено, по сравнению с положением уровня Ферми структуры графен-ОУНТ уровень Ферми интерфейса графен-ОУНТ/Al2O3 сместился вниз по оси энергий. Для интерфейсов графен-ОУНТ/TiO2 и графен-ОУНТ/HfO2 уровень Ферми сдвигается вверх по оси энергии по сравнению с положением уровня Ферми структуры графен-ОУНТ. Различие в поведении уровня Ферми между интерфейсами объясняется различием в направлении трансфера заряда между углеродным каркасом и оксидом металла: в случае интерфейса графен-ОУНТ/Al2O3 углеродный каркас отдает заряд оксиду металла, а в двух других случаях он его принимает. Сопротивление интерфейса графен-ОУНТ/Al2O3 составляет 43 кОм, проводимость - 0.02 мСм, оставаясь того же порядка величины, что и для структуры графен-УНТ (сопротивление 14.7 кОм, проводимость 0.07 мСм). Сопротивления интерфейсов графен-ОУНТ/TiO2 и графен-ОУНТ/HfO2 составляют 28 кОм и 53 кОм соответственно, а проводимости - 0.03 мСм и 0.03 мСм соответственно. Подвижность электронов в интерфейсах графен-ОУНТ/оксид металла уменьшается в сравнении с подвижностью носителей в углеродной структуре графен-ОУНТ: в случае интерфейса графен-ОУНТ/TiO2 - на 3 порядка величины, в случае интерфейсов рафен-ОУНТ/Al2O3 и графен-ОУНТ/HfO2 - на 2 порядка величины. 6) На основании результатов расчета транспорта фононов для интерфейсов графен-ОУНТ/оксид металла (Al2O3, TiO2 и HfO2) с максимальной рассмотренной концентрацией наночастиц оксида металла установлено, что основной вклад в теплопроводность интерфейса графен-ОУНТ/HfO2 вносят фононные моды в диапазоне частот от 109.8 ТГц до 145.3 ТГц, интерфейса графен-ОУНТ/TiO2 - в диапазоне частот от 112.3 ТГц до 146.5 ТГц и интерфейса графен-ОУНТ/Al2O3 - в пределах от 115.5 ТГц до 153.2 ТГц. В рамках метода Грина-Кубо с использованием молекулярной динамики получены численные оценки коэффициента теплопроводности исследуемых интерфейсов в диапазоне температур 100-600К. Установлен эффект увеличения коэффициента теплопроводности интерфейсов графен-ОУНТ/оксид металла на один – два порядка в зависимости от температуры по сравнению с коэффициентом теплопроводности структуры графен-ОУНТ. 7) Рассчитаны туннельные сопротивления интерфейсов графен-ОУНТ/оксид металла (Al2O3, TiO2 и HfO2) с максимальной рассмотренной концентрацией наночастиц оксида металла. Показано, что величина туннельного сопротивления составляет 5.2 кОм для интерфейса ОУНТ/Al2O3, 9.1 кОм для интерфейса графен-ОУНТ/HfO2 и 11.2 кОм для интерфейса интерфейса графен-ОУНТ/TiO2. 8) Установлено, что с ростом температуры в диапазоне от 0 до 333 К сопротивление интерфейсов графен-ОУНТ/оксид металла уменьшается. Для интерфейса графен-ОУНТ/Al2O3 - с 43 до 18 кОм, для интерфейса графен-ОУНТ/TiO2 - с 28 кОм до 15 кОм и для интерфейса графен-ОУНТ/HfO2 - с 53 кОм до 31 кОм. 9) Синтезированы образцы графен-нанотрубных пленок с учетом рекомендаций, полученных по результатам проведенных численных экспериментов. Диаметр ОУНТ составлял 1–2,5 нм, удельная поверхность 420 м2/г. Показано, что до лазерной обработки исходная пленка графен-ОУНТ имела электропроводность 0,01 мСм, а обработка лазером привела к формированию связей между двумя типами углеродных материалов и к увеличению электропроводности в 4 раза до 0,04 мСм, что хорошо коррелирует с данными численных экспериментов по оценки электропроводных характеристик углеродной пленки графен-ОУНТ. 10) Получены образцы пленок графен-ОУНТ с нанесенными слоями наночастиц оксидов металла различной толщины: для интерфейсов графен-ОУНТ/Al2O3 - образцы с толщиной слоя Al2O3 5 и 20 нм, для интерфейсов графен-ОУНТ/TiO2 и графен-ОУНТ/HfO2 - образцы с толщиной слоя наночастиц оксидов металла 5, 20 и 50 нм. 11) Получены результаты измерения ВАХ образцов наноматериалов графен-ОУНТ/оксид металла в диапазоне температур от -50 до 200 °С после лазерной обработки, по которым определялись значения электропроводности. Образец со слоем частиц Al2O3 толщиной 5 нм имел электропроводность в диапазоне 0,17–1,56 мСм, с 20 нм слоем частиц Al2O3 - в диапазоне 0,51–3,79 мСм. Образец интерфейса с 5 нм слоем частиц HfO2 демонстрировал электропроводность в диапазоне от 0,05 до 0,47 мСм, для 20 нм слоя HfO2 - в пределах от 0,17 до 0,40 мСм, для 50 нм слоя HfO2 - в пределах 0,85–1,18 мСм. Образец интерфейса с 5 нм слоем частиц TiO2 демонстрировал электропроводность в пределах от 0,04 до 4,09 мСм, для 20 нм слоя TiO2 - в пределах от 0,07 до 0,77 мСм, для 50 нм слоя TiO2- в диапазоне 0,25–6,30 мСм.