Наноленты из пента-гекса-графена

В 2016 году была теоретически предсказана новая двумерная аллотропная форма углерода – пента-гекса-графен (ph-графен), структура которого образована комбинацией пяти- и шестичленных углеродных колец [1]. Подобно традиционному графену ph-графен является бесщелевым полупроводником и обладает характерными “дираковскими конусами” вблизи уровня Ферми на электронной зоной структуре. В недавней работе [2] исследовательская группа из Бразилии представила детальный теоретический анализ электронных и магнитных свойств нанолент пента-гекса-графена (PHGNR), формируемых путем разрезания двумерного листа вдоль различных кристаллографических направлений (см. рис.).

Авторы выполнили расчеты из первых принципов в рамках теории функционала плотности с использованием программного пакета Siesta. Для описания обменно-корреляционного взаимодействия использовали обобщенное градиентное приближение GGA с функционалом PBE, сохраняющими норму псевдопотенциалами Трулье-Мартинса и базисным набором DZP. Исследователи рассмотрели две основные хиральности нанолент – “зигзагообразную” и “кресельную” – причем для каждой хиральности было изучено несколько вариантов реконструкции краев (четыре типа для зигзагообразных и три – для кресельных систем, см. рис.).

Оказалось, что электронные свойства нанолент ph-графена существенно зависят от хиральности и структурных особенностей границы, изменяясь от металлических до полупроводниковых с шириной запрещенной зоны, достигающей 1.69 эВ. Ключевым результатом работы стало обнаружение множественных устойчивых магнитных конфигураций. В отличие от графеновых нанолент, где магнитные моменты локализованы преимущественно на краевых атомах, в нанолентах ph-графена спиновая поляризация возникает преимущественно на внутренних атомах определенного типа, а именно на трижды координированных атомах углерода C3 (см. рис.), образующих гексагональную подрешетку внутри структуры ph-графена. Для зигзагообразных нанолент авторы идентифицировали восемь спин-поляризованных состояний с различным взаимным расположением спиновых моментов (от полностью антиферромагнитной до полностью ферромагнитной), а для кресельных – шесть состояний. Энергия намагничивания, определяемая как разность полных энергий неполяризованной и спин-поляризованной конфигураций, может превышать 2 эВ на элементарную ячейку, что свидетельствует о высокой устойчивости магнитных состояний. Исследователи установили, что наиболее энергетически выгодной является полностью антиферромагнитная конфигурация, что согласуется с основным состоянием двумерной родительской системы. Важно отметить, что ширина запрещенной зоны монотонно уменьшается при переходе от антиферромагнитной к ферромагнитной конфигурации, например, в случае зигзагообразных нанолент Z2 типа (см. рис.) – от 1.69 эВ до 0.58 эВ. При этом, важнейшей особенностью PHGNRs является устойчивость их магнитных свойств по отношению к модификации краевой структуры, что кардинально отличает их от других углеродных наносистем. Внутренний характер магнитных состояний делает PHGNRs менее подверженными влиянию краевых дефектов, которые неизбежно присутствуют в реальных образцах.

Термическая устойчивость систем была дополнительно подтверждена методом молекулярной динамики при температуре 400 K в течение 10 пс с временным шагом 1 фс. Компьютерное моделирование проводили с использованием канонического (NVT) ансамбля, при этом контроль температуры осуществляли с помощью термостата Нозе-Гувера.

В конечном итоге исследователи полагают, что наноленты пента-гекса-графена станут перспективной платформой для создания устройств наноэлектроники и спинтроники. В отличие от традиционных графеновых нанолент, PHGNRs обладают уникальной комбинацией настраиваемых электронных свойств и множественных магнитных конфигураций, открывая новые возможности для зонной инженерии.

М. Маслов

1. X.Zhang et al., Carbon 105, 323 (2016).

2. D.W.Maia et al., Comput. Mater. Sci. 261, 114329 (2026).

ПерсТ, 2025, том 32, выпуск 11

Источник: vk.com

Комментарии: