ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ПИРОЛИЗОВАННОГО ПОЛИАКРИЛОНИТРИЛА С АТОМАМИ ГЕРМАНИЯ

- Физико-математические науки-

ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ПИРОЛИЗОВАННОГО ПОЛИАКРИЛОНИТРИЛА С

АТОМАМИ ГЕРМАНИЯ

И.А. Какорин, студент

Волгоградский государственный университет

DOI:10.24412/2500-1000-2022-3-3-37-39

Аннотация. В работе представлены результаты расчетов сорбционных свойств пи-ролизованного полиакрилонитрила, выполненные в рамках модели МК с помощью неэмпирической схемы STO. Рассмотрены особенности механизмов адсорбции атомов германия. Была доказана возможность адсорбции атома германия на поверхности ППАН. На процесс адсорбции влияет начальное положение адсорбирующегося атома над поверхностью, так расположение германия над атомом азота, углерода и над центром С-С связи способствует процессу адсорбции данного атома. Адсорбция атома германия на поверхности полимера приводит к увеличению ширины запрещенной зоны. Таким образом, на основе ППАН возможно получить новый материал с уникальными характеристиками.

Ключевые слова: пиролизованный полиакрилотнитрил, адсорбция, атом германия, молекулярный кластер, полимер.

В последние годы для изготовления и модернизации приборов все чаще используют наноструктуры и полимерные материалы. Проводится широкий спектр исследований, направленный на поиск проводниковых и полупроводниковых материалов, обладающих новыми уникальными свойствами. Огромное многообразие полимерных структур, простая технология их получения и незначительные финансовые затраты приводят к широкому распространению и использованию полимеров во всех сферах деятельности.

Специальные условия синтеза и последующая модификация позволяют контролируемо изменять проводимость полимерных структур в широком диапазоне. Такие возможности предполагают более широкий диапазон применения полимеров в электронике, не только в качестве диэлектриков, но и для функциональных элементов, таких как резисторы, светодиоды, транзисторы, солнечные элементы, аккумуляторные батарее, мини-дисплеи и т.п. Среди полимеров наиболее перспективным является пиролизованный полиакри-лонитрил (ППАН), благодаря своим уникальным электронным и физико-химическим свойствам [1, 2]. Свойства этого уникального нанополимерного материала зависят от структуры и формы гео-

метрического кластера, наличие дефектов в пространственной структуре полимера [3] и присутствие различных атомов в структурной матрице материала [4]. Одним из важных физических свойств является то, что мы можем изменять проводимость данного полимерного материала. В работе представлены теоретические расчеты адсорбции атома германия и его внедрение в матрицу ППАН.

Для проведения расчетов был рассмотрен кластер полимера содержащий 20% атомов азота поверхности (от общего числа атомов). Расчеты были проведены для пяти различных вариантов расположения адсорбирующегося атома Ge над поверхностью слоя полимера:

1) атом германия адсорбировался на атом углерода;

2) атом германия адсорбировался на атом азота;

3) атом германия приближался к середине углеродной связи;

4) атом германия приближался к середине связи углерод-азот;

5) атом германия присоединялся к фиктивной точке, расположенной в центре гексагона.

Процесс адсорбции атома германия моделировался в середине кластера для минимизации краевых эффектов. Для изуче-

- Физико-математические науки-

ния механизма адсорбции атом германия приближался к выбранному адсорбционному центру по прямой с шагом 0,1 А, это

позволило построить зависимость изменения энергии от координаты (рис. 1).

12 10 g

1>

g

Л Zl

a 4 m 2

0 0 -2 -•-CN

5 1 2 \ i> 3 —•— гексагон

-4

-6

r,A

Рис. 1. Зависимость энергии системы от расстояния межу атомом германия и полимером

Графическое представление этой зависимости показало, что процесс адсорбции зависит от выбранного адсорбционного центра. Так при адсорбции на атом азота наблюдается физическая адсорбция, а на атоме углерода - химическая адсорбция. Расчеты электронно-энергетических ха-

рактеристик комплекса «ППАН+атомы германия» показали, что модификация полимера приводит к изменению проводящего состояния, что иллюстрируется изменением ширины запрещенной зоны такого структурно-модифицированного композита.

Библиографический список

1. Давлетова О.А. Структура и электронные характеристики пиролизованного полиак-рилонитрила // Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук. - 2010. - 140 с.

2. Kakorina O.A. Simulation of pyrolysed polyacrylonitrile based composite with amorphising boron additives / O.A. Kakorina, I.V. Zaporotskova, I.A. Kakorin, L.V. Kozhitov // В сборнике: Journal of Physics: Conference Series. Applied Mathematics, Computational Science and Mechanics: Current Problems. - 2020. - С. 012131.

3. Kakorina O.A. On the mechanism of pore formation in pyrolized polyacrylonitrile / O.A. Kakorina, I.V. Zaporotskova, L.V. Kozhitov, A.V. Popkova // Journal of Physics: Conference Series. - 2019. - С. 012031.

4. Какорина О.А. Металлоуглеродные нанокомпозиты на основе пиролизованного по-лиакрилонитрила с внедренными в межслоевое пространство атомами щелочноземельных металлов / О.А. Какорина, И.В. Запороцкова, Л.В. Кожитов // В сборнике: Физика и технология наноматериалов и структур. Сборник научных статей 3-й Международной научно-практической конференции. В 2-х томах. - 2017. - С. 225-231.

- 0u3uuo-MameMamunecKue Hayuu-

INTERACTION OF PYROLYZED POLYACRYLONITRILE WITH GERMANIUM

ATOMS

I.A. Kakorin, Student Volgograd State University

Abstract. The paper presents the results of calculations of the sorption properties of pyrolyzed polyacrylonitrile, performed within the framework of the molecular cluster model using a non-empirical STO scheme. The features of the mechanisms of adsorption of germanium atoms are considered. The possibility of adsorption of the germanium atom on the surface of the PPAN was proved. The adsorption process is affected by the initial position of the adsorbing atom above the surface, so the location of germanium above the nitrogen atom, carbon and above the center of the C-C bond contributes to the adsorption process of this atom. Adsorption of the germanium atom on the surface of the polymer leads to an increase in the width of the band gap. Thus, on the basis of PPAN, it is possible to obtain a new material with unique characteristics.

Keywords: pyrolyzedpolyacrylotnitrile, adsorption, germanium atom, molecular cluster, polymer.