Квантово-химический расчет порога полевой эмиссии электронов из коротких бор-нитридных нанотрубок

   В рамках метода функционала плотности с использованием гибридного функционала B3LYP в базисе 6-31G рассчитано электронное строение цилиндрических сопряженных макромолекул из атомов бора и азота, моделирующих короткие открытые нанотрубки zigzag (n,0) и armchair (n,n) типов. Изучена их стабильность в зависимости от диаметра и длины. Показано, что приложенное вдоль трубок постоянное электрическое поле приводит к “сжатию” энергетической щели в спектре энергий электронов нанотрубок до ≈ 0.2 эВ. В рамках теории эмиссионных молекулярных орбиталей рассчитан порог автоэлектронной (полевой) эмиссии из бор-нитридных нанотрубок. Показано, что, несмотря на изоэлектронность сопряженных систем бор-нитридных и углеродных нанотрубок, замещение в каркасе нанотрубок атомов углерода на атомы азота и бора приводит к уменьшению пороговой напряженности поля автоэлектронной эмиссии. Выявлено, что диаметр бор-нитридных нанотрубок практически не влияет на эмиссионную молекулярную орбиталь.

1. З. Я. Косаковская, С. В. фон Гратовски, В. В. Коледов, В. Г. Шавров, А. М. Смолович, А. П. Орлов, J.-G. Liang. Журнал радиоэлектроники [эл. журн.], № 12 (2022) 1-13, https://doi.org/10.30898/1684-1719.2022.12.9

2. N. Gupta, S. M. Gupta, S. K. Sharma. Carbon Lett., 29, N 5 (2019) 419-447, https://doi.org/10.1007/s42823-019-00068-2

3. A. A. Talin, K. A. Dean, J. E. Jaskie. Solid State Electron., 45, N 6 (2001) 963-976, https://doi.org/10.1016/S0038-1101(00)00279-3

4. X. Cao, C. Lau, Y. Liu, F. Wu, H. Gui, Q. Liu, Y. Ma, H. Wan, M. R. Amer, C. Zhou. ACS Nano, 10, N 11 (2016) 9816-9822, https://doi.org/10.1021/acsnano.6b05368

5. L. Camilli, M. Passacantando. Chemosensors, 6, N 4 (2018) 62(1-17), https://doi.org/10.3390/chemosensors6040062

6. M. N. Norizan, M. H. Moklis, S. Z. N. Demon, N. A. Halim, A. Samsuri, I. S. Mohamad, V. F. Knight, N. Abdullah. RSC Adv., 10, N 71 (2020) 43704-43732, https://doi.org/10.1039/D0RA09438B

7. J. Chen, S. Z. Deng, N. S. Xu. Ultramicroscopy, 95, N 1-4 (2003) 81-84, https://doi.org/10.1016/S0304-3991(02)00300-5

8. X. He, H. Htoon, S. K. Doorn, W. H. P. Pernice, F. Pyatkov, R. Krupke, A. Jeantet, Y. Chassagneux, C. Voisin. Nat. Mater., 17, N 8 (2018) 663-670, https://doi.org/10.1038/s41563-018-0109-2

9. R. H. Fowler, L. Nordheim. Proc. Roy. Soc. Lond. Ser. A, 119, N 781 (1928) 173-181, https://doi.org/10.1098/rspa.1928.0091

10. Z. Li, S. Deng, N. Xu. Front. Phys. China, 1, N 3 (2006) 305-316, https://doi.org/10.1007/s11467-006-0029-5

11. Д. С. Быченок, Г. Я. Слепян. Вестн. БГУ, Сер. 1, № 3 (2012) 33-36, http://elib.bsu.by/handle/123456789/49212

12. P. G. Collins, A. Zettl. Phys. Rev. B, 55, N 15 (1997) 9391-9399, https://doi.org/10.1103/ PhysRevB.55.9391

13. S. Dimitrijevic, J. C. Withers, V. P. Mammana, O. R. Monteiro, J. W. Ager III, I. G. Brown. Appl. Phys. Lett., 75, N 17 (1999) 2680-2682, https://doi.org/10.1063/1.125122

14. X. Xu, G. R. Brandes. Appl. Phys. Lett., 74, N 17 (1999) 2549-2551, https://doi.org/10.1063/1.123894

15. Е. Д. Эйдельман, А. В. Архипов. УФН, 190, № 7 (2020) 693-714, https://doi.org/10.3367/UFNr.2019.06.038576, https://doi.org/10.3367/UFNe.2019.06.038576

16. R. Gao, Z. Pan, Z. L. Wang. Appl. Phys. Lett., 78, N 12 (2001) 1757-1759, https://doi.org/10.1063/1.1356442

17. J.-M. Bonard, T. Stöckli, F. Maier, W.A. de Heer, A. Châtelain, J.-P. Salvetat, L. Forró. Phys. Rev. Lett., 81, N 7 (1998) 1441-1444, https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.81.1441

18. X. H. Yang, H. I. Ma, F. G. Zeng. Vacuum, 167 (2019) 113-117, https://doi.org/10.1016/j.vacuum.2019.06.001

19. O. Gröning, O. M. Küttel, Ch. Emmenegger, P. Gröning, L. Schlapbach. J. Vac. Sci. Technol. B, 18, N 2 (2000) 665-678, https://doi.org/10.1116/1.591258

20. Yu.G. Polynskaya, A. S. Sinitsa, S. A. Vyrko, O. Ori, A. M. Popov, A. A. Knizhnik, N. A. Poklonski, Yu. E. Lozovik. Physica E, 148 (2023) 115624 (1-7), https://doi.org/10.1016/j.physe.2022.115624

21. D. L. Carroll, P. Redlich, P. M. Ajayan, J. C. Charlier, X. Blase, A. De Vita, R. Car. Phys. Rev. Lett., 78, N 14 (1997) 2811-2814, https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.78.2811

22. P. Kim, T. W. Odom, J.-L. Huang, C. M. Lieber. Phys. Rev. Lett., 82, N 6 (1999) 1225-1228, https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.82.1225

23. K. A. Dean, B. R. Chalamala. Appl. Phys. Lett., 76, N 3 (2000) 375-377, https://doi.org/10.1063/1.125758

24. R. C. Smith, D. C. Cox, S. R. P. Silva. Appl. Phys. Lett., 87, N 10 (2005) 103112(1-3), https://doi.org/10.1063/1.2041824

25. S. Han, J. Ihm. Phys. Rev. B, 66, N 24 (2002) 241402(1-4), https://doi.org/10.1103/PhysRevB.66.241402

26. J. Peng, Z. Li, C. He, S. Deng, N. Xu, X. Zheng, G. Chen. Phys. Rev. B, 72, N 23 (2005) 235106(1-8), https://doi.org/10.1103/PhysRevB.72.235106

27. О. Б. Томилин, Е. В. Родионова, Е. А. Родин. ЖФХ, 94, № 8 (2020) 1242-1247, https://doi.org/10.31857/S0044453720080269, https://doi.org/10.1134/S0036024420080269

28. О. Б. Томилин, Е. В. Родионова, Е. А. Родин, Н. А. Поклонский, И. И. Аникеев, С. В. Раткевич. ФТТ, 64, № 3 (2022) 359-364, https://doi.org/10.21883/FTT.2022.03.52097.201, https://doi.org/10.21883/PSS.2022.03.53191.201

29. O. B. Tomilin, I. V. Stankevich, E. E. Muryumin, E. V. Rodionova. Carbon, 50, N 14 (2012) 5217-5225, https://doi.org/10.1016/j.carbon.2012.07.005

30. P. v. R. Schleyer, H. Jiao, M. N. Glukhovtsev, J. Chandrasekhar, E. Kraka. J. Am. Chem. Soc., 116, N 22 (1994) 10129-10134, https://doi.org/10.1021/ja00101a035

31. Al. A. Zakhidov, R. Nanjundaswamy, M. Zhang, S. B. Lee, A. N. Obraztsov, A. Cunningham, A. A. Zakhidov. J. Appl. Phys., 100, N 4 (2006), https://doi.org/10.1063/1.2335780

32. N. Danné, M. Kim, A. G. Godin, H. Kwon, Z. Gao, X. Wu, N. F. Hartmann, S. K. Doorn, B. Lounis, Y. Wang, L. Cognet. ACS Nano, 12, N 6 (2018) 6059-6065, https://doi.org/10.1021/acsnano.8b02307

33. İ. Muz, M. Kurban. J. Alloys Compd., 802 (2019) 25-35, https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2019.06.210

34. J. H. Kim, T. V. Pham, J. H. Hwang, C. S. Kim, M. J. Kim. Nano Convergence, 5 (2018) 17(1-13), https://doi.org/10.1186/s40580-018-0149-y

35. N. Kostoglou, C. Tampaxis, G. Charalambopoulou, G. Constantinides, V. Ryzhkov, C. Doumanidis, B. Matovic, C. Mitterer, C. Rebholz. Nanomaterials, 10, N 12 (2020) 2435(1-9), https://doi.org/10.3390/nano10122435

36. K. N. Yun, Y. Sun, J. S. Han, Y.-H. Song, C. J. Lee. ACS Appl. Mater. Interfaces, 9, N 2 (2017) 1562-1568, https://doi.org/10.1021/acsami.6b10713

37. M. W. Schmidt, K. K. Baldridge, J. A. Boatz, S. T. Elbert, M. S. Gordon, J. H. Jensen, S. Koseki, N. Matsunaga, K. A. Nguyen, S. Su, T. L. Windus, M. Dupuis, J. A. Montgomery Jr. J. Comp. Chem., 14, N 11 (1993) 1347-1363, https://doi.org/10.1002/jcc.540141112

38. М. В. Харламова. УФН, 183, № 11 (2013) 1145-1174, https://doi.org/10.3367/UFNr.0183.201311a.1145, https://doi.org/10.3367/UFNe.0183.201311a.1145

39. Y.-M. Chou, H.-W. Wang, Y.-J. Lin, W.-H. Chen, B.-C. Wang. Diamond Rel. Mater., 18, N 2 (2009) 351-354, https://doi.org/10.1016/j.diamond.2008.10.026

40. A. S. Barnard, I. K. Snook, S. P. Russo. J. Mater. Chem., 17, N 28 (2007) 2892-2898, https://doi.org/10.1039/b704037g

41. G. Cassabois, P. Valvin, B. Gil. Nat. Photon., 10, N 4 (2016) 262-266, https://doi.org/10.1038/nphoton.2015.277

42. C. H. Lee, J. Wang, V. K. Kayatsha, J. Y. Huang, Y. K. Yap. Nanotechnology, 19, N 45 (2008) 455605(1-5), https://doi.org/10.1088/0957-4484/19/45/455605

43. P. Jaffrennou, J. Barjon, J.-S. Lauret, A. Maguer, D. Golberg, B. Attal-Trétout, F. Ducastelle, A. Loiseau. Phys. Status Solidi B, 244, N 11 (2007) 4147-4151, https://doi.org/10.1002/pssb.200776109

44. M. Ishigami, J. D. Sau, S. Aloni, M. L. Cohen, A. Zettl. Phys. Rev. Lett., 94, N 5 (2005) 056804(1-4), https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.94.056804

45. F. Zheng, G. Zhou, S. Hao, W. Duan. J. Chem. Phys., 123, N 12 (2005) 124716(1-5), https://doi.org/10.1063/1.2035097

46. N. A. Poklonski, S. V. Ratkevich, S. A. Vyrko, E. F. Kislyakov, O. N. Bubel’, A. M. Popov, Yu. E. Lozovik, N. N. Hieu, N. A. Viet. Chem. Phys. Lett., 545 (2012) 71-77, https://doi.org/10.1016/j.cplett.2012.07.023

47. О. Б. Томилин, Е. В. Родионова, Е. А. Родин. ЖФХ, 95, № 9 (2021) 1396-1398, https://doi.org/10.31857/S0044453721090296 [O. B. Tomilin, E. V. Rodionova, E. A. Rodin. Russ. J. Phys. Chem. A, 95, N 9 (2021) 1883-1885, https://doi.org/10.1134/S0036024421090296 ]

48. A. Mañanes, F. Duque, A. Ayuela, M. J. López, J. A. Alonso. Phys. Rev. B, 78, N 3 (2008) 035432(1-10), https://doi.org/10.1103/PhysRevB.78.035432