Две схемы получения молекулярных ионов на изогнутых листах графена

  • Николай Александрович Поклонский Белорусский государственный университет, пр. Независимости, 4, 220030, г. Минск, Беларусь https://orcid.org/0000-0002-0799-6950
  • Сергей Владимирович Раткевич Белорусский государственный университет, пр. Независимости, 4, 220030, г. Минск, Беларусь
  • Сергей Александрович Вырко Белорусский государственный университет, пр. Независимости, 4, 220030, г. Минск, Беларусь
  • Анатолий Тимофеевич Власов Белорусский государственный университет, пр. Независимости, 4, 220030, г. Минск, Беларусь

Аннотация

Приведен краткий обзор методов получения молекулярных ионов, на основе которого предложены две оригинальные схемы генерации потока отрицательно и положительно заряженных ионов из потока электрически нейтральных молекул, рассеивающихся на электропроводящих изогнутых листах графена. При изгибе листов графена происходит перераспределение плотностей p-электронов атомов углерода, и в направлении, перпендикулярном к изогнутой поверхности, появляется индуцированный деформацией электрический дипольный момент. Представленные схемы отличаются взаимным расположением изогнутых листов графена относительно потока молекул. На основе квантово-химических расчетов полуэмпирическим методом PM7 даны оценки сродства к электрону и энергии (потенциала) ионизации ряда молекул (C60, O2, H2O, CO2 и др.), пригодных для получения из них молекулярных ионов по предложенным схемам. Если рассеяние молекулы происходит на отрицательно заряженной стороне графена, то за счет перехода электрона от графена к молекуле она приобретает отрицательный заряд. Если рассеяние молекулы происходит на положительно заряженной стороне графена, то за счет перехода электрона от молекулы к графену молекула приобретает положительный заряд. Для получения молекулярных ионов необходимо выбирать молекулы со значениями сродства к электрону (для получения отрицательных ионов) или энергии ионизации (для получения положительных ионов), близкими к величине работы выхода электрона из графена (≈ 4,3 эВ).

Биографии авторов

Николай Александрович Поклонский, Белорусский государственный университет, пр. Независимости, 4, 220030, г. Минск, Беларусь

доктор физико-математических наук, член-корреспондент НАН Беларуси, профессор; профессор кафедры физики полупроводников и наноэлектроники физического факультета

Сергей Владимирович Раткевич, Белорусский государственный университет, пр. Независимости, 4, 220030, г. Минск, Беларусь

старший преподаватель кафедры физики и аэрокосмических технологий факультета радиофизики и компьютерных технологий

Сергей Александрович Вырко, Белорусский государственный университет, пр. Независимости, 4, 220030, г. Минск, Беларусь

кандидат физико-математических наук; старший научный сотрудник научно-исследовательской лаборатории физики электронных материалов кафедры физики полупроводников и наноэлектроники физического факультета

Анатолий Тимофеевич Власов, Белорусский государственный университет, пр. Независимости, 4, 220030, г. Минск, Беларусь

кандидат физико-математических наук; ведущий научный сотрудник научно-исследовательской лаборатории физики электронных материалов кафедры физики полупроводников и наноэлектроники физического факультета

Литература

  1. Dudnikov VG. Surface-plasma method for the production of negative ion beams. Physics – Uspekhi. 2019;62(12):1233–1267. DOI: 10.3367/UFNe.2019.04.038558.
  2. Gainullin IK. Resonant charge transfer during ion scattering on metallic surfaces. Physics – Uspekhi. 2020;63(9):888–906. DOI: 10.3367/UFNe.2019.11.038691.
  3. Ieshkin AE, Kushkina KD, Kireev DS, Ermakov YuA, Chernysh VS. Polishing superhard material surfaces with gas-cluster ion beams. Technical Physics Letters. 2017;43(1):95–97. DOI: 10.1134/S1063785017010205.
  4. Lukin VG, Khvostenko OG. Desorption processes in the measurement of weak currents. Physics – Uspekhi. 2020;63(5):487–499. DOI: 10.3367/UFNe.2019.07.038615.
  5. Kiselev VA. Covalent-ionic transition, and activity of metal-semiconductor interfaces. Soviet Physics, Solid State. 1991;33(10):1734–1737.
  6. Davydov SYu. Dependence of the electronic structure of a graphene nanoribbon on the concentration of adsorbed particles. Technical Physics Letters. 2020;46(7):625–628. DOI: 10.1134/S1063785020070068.
  7. Babenko PYu, Zinoviev AN, Mikhailov VS, Tensin DS, Shergin AP. The ion-solid interaction potential determination from the backscattered particles spectra. Technical Physics Letters. 2022;48(7):50–53. DOI: 10.21883/TPL.2022.07.54039.19231.
  8. Konstantinov OV, Dymnikov VD, Mittsev MA. Theory of catalytic dissociation of hydrogen atoms on a metal surface. Semiconductors. 2008;42(8):931–933. DOI: 10.1134/S1063782608080101.
  9. McKenzie S, Kang HC. Squeezing water clusters between graphene sheets: energetics, structure, and intermolecular interactions. Physical Chemistry Chemical Physics. 2014;16(47):26004–26015. DOI: 10.1039/C4CP02575J.
  10. Ahmadpoor F, Sharma P. Flexoelectricity in two-dimensional crystalline and biological membranes. Nanoscale. 2015;7(40):16555–16570. DOI: 10.1039/C5NR04722F.
  11. Dumitrică T, Landis CM, Yakobson BI. Curvature-induced polarization in carbon nanoshells. Chemical Physics Letters. 2002;360(1–2):182–188. DOI: 10.1016/S0009-2614(02)00820-5.
  12. Poklonski NA, Ratkevich SV, Vyrko SA, Vlassov AT, Hieu NN. Quantum chemical calculation of reactions involving C20, C60, graphene and H2O. International Journal of Nanoscience. 2019;18(3–4):1940008. DOI: 10.1142/S0219581X19400088.
  13. Lebedeva IV, Popov AM, Knizhnik AA, Lozovik YE, Poklonski NA, Siahlo AI, et al. Tunneling conductance of telescopic contacts between graphene layers with and without dielectric spacer. Computational Materials Science. 2015;109:240–247. DOI: 10.1016/j.commatsci.2015.07.006.
  14. Xiang Q, Yu J. Graphene-based photocatalysts for hydrogen generation. The Journal of Physical Chemistry Letters. 2013;4(5):753–759. DOI: 10.1021/jz302048d.
  15. Kamat PV, Bisquert J. Solar fuels. Photocatalytic hydrogen generation. The Journal of Physical Chemistry C. 2013;117(29):14873–14875. DOI: 10.1021/jp406523w.
  16. Yakovlev AG, Shuvalov VA. Physical stage of photosynthesis charge separation. Physics – Uspekhi. 2016;59(6):531–557. DOI: 10.3367/UFNe.2016.02.037701.
  17. Poklonski NA, Ratkevich SV, Vyrko SA, Vlassov AT. Thermochemistry modeling of hydrogen and water influence on C20 cage decay. In: Burakov VS, Filatova II, Usachonak MS, editors. Plasma physics and plasma technology (PPPT-8). Contributed papers of VIII International conference; 2015 September 14–18; Minsk, Belarus. Volume 1. Minsk: Kovcheg; 2015. p. 177–180.
  18. Poklonski NA, Ratkevich SV, Vyrko SA, Vlassov AT. [Quantum-chemical calculation of the reactions of fullerenes C20 and C60 with molecules of hydrogen, chlorine and water]. In: Vityaz’ PA, Penyaz’kov OG, Filatov SA, Shpilevskii EM, editors. Nanostruktury v kondensirovannykh sredakh [Nanostructures in condensed matter]. Minsk: [s. n.]; 2016. p. 477–483. Russian.
  19. Mazarov P, Dudnikov VG, Tolstoguzov AB. Electrohydrodynamic emitters of ion beams. Physics – Uspekhi. 2020;63(12):1219–1255. DOI: 10.3367/UFNe.2020.09.038845.
  20. Kotelnikov IA, Astrelin VT. Theory of a plasma emitter of positive ions. Physics – Uspekhi. 2015;58(7):701–718. DOI: 10.3367/UFNe.0185.201507c.0753.
  21. Barengolts SA, Mesyats GA. Explosive emission processes in thermonuclear facilities with magnetic plasma confinement and in linear electron-positron colliders. Physics – Uspekhi. 2023;66(7):704–721. DOI: 10.3367/UFNe.2022.02.039163.
  22. Eidelman ED, Arkhipov AV. Field emission from carbon nanostructures: models and experiment. Physics – Uspekhi. 2020;63(7):648–667. DOI: 10.3367/UFNe.2019.06.038576.
  23. Poklonski NA, Siahlo AI, Vyrko SA, Ratkevich SV, Vlassov AT. Model of field electron emission from the edge of flat graphene into vacuum. Devices and Methods of Measurements. 2019;10(1):61–68. Russian. DOI: 10.21122/2220-9506-2019-10-1-61-68.
  24. Goryaev FF. [Single-electron charge exchange in collisions of fast ions with molecular hydrogen in the representation of the impact parameter]. Zhurnal eksperimental’noi i teoreticheskoi fiziki. 2023;164(3):349–364. Russian.
  25. Latypov ZZ. Possibility for separation of polarizable molecules using electric fields. Technical Physics. 2014;59(6):808–812. DOI: 10.1134/S1063784214060140.
  26. Gao X, Wang Y, Liu X, Chan T-L, Irle S, Zhao Y, et al. Regioselectivity control of graphene functionalization by ripples. Physical Chemistry Chemical Physics. 2011;13(43):19449–19453. DOI: 10.1039/C1CP22491C.
  27. Rut’kov EV, Afanas’eva EY, Gall NR. Graphene and graphite work function depending on layer number on Re. Diamond and Related Materials. 2020;101:107576. DOI: 10.1016/j.diamond.2019.107576.
  28. Klavsyuk AL, Saletsky AM. Formation and properties of metallic atomic contacts. Physics – Uspekhi. 2015;58(10):933–951. DOI: 10.3367/UFNe.0185.201510a.1009.
  29. Perrin ML, Frisenda R, Koole M, Seldenthuis JS, Gil JAC, Valkenier H, et al. Large negative differential conductance in single-molecule break junctions. Nature Nanotechnology. 2014;9(10):830–834. DOI: 10.1038/nnano.2014.177.
  30. Smirnov BM. The Sena effect. Physics – Uspekhi. 2008;51(3):291–293. DOI: 10.1070/PU2008v051n03ABEH006542.
  31. Massey HSW. Negative ions. 3rd edition. Cambridge: Cambridge University Press; 1976. XVIII, 742 p. (Cambridge monographs on physics).
  32. Buchel’nikova NS. [Negative ions]. Uspekhi fizicheskikh nauk. 1958;65(3):351–385. Russian. DOI: 10.3367/UFNr.0065.195807a.0351.
  33. Linstrom PJ, Mallard WG, editors. NIST Chemistry WebBook: NIST standard reference database number 69 [Internet]. Gaithersburg: National Institute of Standards and Technology. [1996]– . Gas phase ion energetics data; [updated 2023 January; cited 2023 September 7]. Available from: https://webbook.nist.gov/chemistry/.
  34. Li J, Niesner D, Fauster T. Negative electron affinity of adamantane on Cu (111). Journal of Physics: Condensed Matter. 2021;33(13):135001. DOI: 10.1088/1361-648X/abd99a.
  35. Stewart JJP. Optimization of parameters for semiempirical methods VI: more modifications to the NDDO approximations and re-optimization of parameters. Journal of Molecular Modeling. 2013;19(1):1–32. DOI: 10.1007/s00894-012-1667-x.
Опубликован
2023-10-28
Ключевые слова: изогнутый лист графена, π-электроны, молекула, молекулярный ион, ионизация, сродство к электрону
Поддерживающие организации Работа выполнена при поддержке Белорусского республиканского фонда фундаментальных исследований (грант № Ф23РНФ-049).
Как цитировать
Поклонский, Н. А., Раткевич, С. В., Вырко, С. А., & Власов, А. Т. (2023). Две схемы получения молекулярных ионов на изогнутых листах графена. Журнал Белорусского государственного университета. Физика, 3, 57-64. Доступно по https://journals.bsu.by/index.php/physics/article/view/5710
Выпуск
№ 3 (2023): Журнал Белорусского государственного университета. Физика
Раздел
Физика конденсированного состояния

Copyright (c) 2023 Журнал Белорусского государственного университета. Физика

Лицензия Creative Commons

Это произведение доступно по лицензии Creative Commons «Attribution-NonCommercial» («Атрибуция — Некоммерческое использование») 4.0 Всемирная.

Авторы, публикующиеся в данном журнале, соглашаются со следующим:

  1. Авторы сохраняют за собой авторские права на работу и предоставляют журналу право первой публикации работы на условиях лицензии Creative Commons Attribution-NonCommercial. 4.0 International (CC BY-NC 4.0).
  2. Авторы сохраняют право заключать отдельные контрактные договоренности, касающиеся неэксклюзивного распространения версии работы в опубликованном здесь виде (например, размещение ее в институтском хранилище, публикацию в книге) со ссылкой на ее оригинальную публикацию в этом журнале.
  3. Авторы имеют право размещать их работу в интернете (например, в институтском хранилище или на персональном сайте) до и во время процесса рассмотрения ее данным журналом, так как это может привести к продуктивному обсуждению и большему количеству ссылок на данную работу. (См. The Effect of Open Access).