1. На главную
  2. Электронные версии
  3. Микроэлектроника
  4. T. 52, № 3, 2023

Микроэлектроника, 2023, T. 52, № 3, стр. 207-226

Моделирование адсорбции и диффузии атомов лития на дефектном графене для Li-ионной батареи

М. М. Асадов 1, 2, *, С. О. Маммадова 3, С. С. Гусейнова 3, С. Н. Мустафаева 3, В. Ф. Лукичев 4, **

1 Институт катализа и неорганической химии им. М.Ф. Hагиева Министерство науки и образования Азербайджана
AZ-1143 Баку, пр. Г. Джавида, 113, Азербайджан

2 Научно-исследовательский институт геотехнологических проблем нефти, газа и химии АГУНП
AZ-1010 Баку, пр. Азадлыг, 20, Азербайджан

3 Институт физики Министерство науки и образования Азербайджана
AZ-1143 Баку, пр. Г. Джавида, 131, Азербайджан

4 Физико-технологический институт им. К.А. Валиева Российской академии наук
117218 Москва, Нахимовский просп., 36, корп. 1, Россия

* E-mail: mirasadov@gmail.com
** E-mail: lukichev@ftian.ru

Поступила в редакцию 15.02.2023
После доработки 01.03.2023
Принята к публикации 02.03.2023

Аннотация

На основе теории функционала плотности (DFT) с учетом спиновой поляризации (LSDA) нами рассчитаны адсорбционные и диффузионные свойства атома лития на монослое графена (${\text{GP}}$) с моновакансией (${\text{G}}{{{\text{P}}}_{{\text{V}}}}$) в качестве анодного материала для ${\text{Li}}$-ионной батареи. DFT LSDA расчеты проводили в релаксированных 5 × 5 и 6 × 6 суперъячейках ${\text{GP}}{\kern 1pt} - {\kern 1pt} {\text{L}}{{{\text{i}}}_{{{\text{ads}}}}}$ и на основе графена с комплексом “моновакансия + адатом лития” ${\text{G}}{{{\text{P}}}_{{\text{V}}}}{\kern 1pt} - {\kern 1pt} {\text{L}}{{{\text{i}}}_{{{\text{ads}}}}}$. Исходя из вычисленных значений энергии адсорбции атома лития $E_{{{\text{ads}}}}^{{{\text{Li}}}}$ определено энергетически стабильное место расположения адатома лития ${\text{L}}{{{\text{i}}}_{{{\text{ads}}}}}$ на монослое суперъячеек в ${\text{GP}}{\kern 1pt} - {\kern 1pt} {\text{L}}{{{\text{i}}}_{{{\text{ads}}}}}$ и ${\text{G}}{{{\text{P}}}_{{\text{V}}}}{\kern 1pt} - {\kern 1pt} {\text{L}}{{{\text{i}}}_{{{\text{ads}}}}}$. Результаты расчетов показывают, что адатом ${\text{L}}{{{\text{i}}}_{{{\text{ads}}}}}$ энергетически предпочитает адсорбироваться в ямочной позиции (Н-сайт), а не адсорбироваться сверху (Т-сайт) углеродного атома в монослое. DFT LSDA рассчитанные электронная зонная структура и локальный полный и парциальный магнитный момент атомов суперъячеек ${\text{GP}}{\kern 1pt} - {\kern 1pt} {\text{L}}{{{\text{i}}}_{{{\text{ads}}}}}$ согласуются с расчетами, проведенными GGA-PBE функционалом для Н, В и Т сайтов графена. С учетом опытно полученных коэффициентов диффузии лития в двухслойном графене в структурной упаковке AB-пакетом и температурной (263–333 K) зависимости диффузии Li в двухслойном графене, которая описывается законом Аррениуса, вычислена энергия активации диффузии ${\text{Li\;}}$ при концентрациях $x$ = 0.06–0.51 в графене LixC12 в AB-упаковке.

Ключевые слова: DFT LSDA, графен с моновакансией, адсорбция атома лития, зонная структура, плотность состояний, магнитный момент, диффузия атома лития в графене

Список литературы

  1. Yoo E., Kim J., Hosono E., Zhou H.-S., Kudo T., Honma I. Large Reversible Li Storage of Graphene Nanosheet Families for Use in Rechargeable Lithium-Ion Batteries // Nano Letters. 2008. V. 8. № 8. P. 2277–2282. https://doi.org/10.1021/nl800957b

  2. Lv W., Tang D.-M., He Y.-B., You C.-H., Shi Z.-Q., Chen X.-C., Chen C.-M., Hou P.-X., Liu C., Yang Q.-H. Low-Temperature Exfoliated Graphenes: Vacuum-Promoted Exfoliation and Electrochemical Energy Storage // ACS Nano. 2009. V. 3. № 11. P. 3730–3736. https://doi.org/10.1021/nn900933u

  3. Jang B.Z., Liu C., Neff D., Yu Z., Wang M.C., Xiong W., Zhamu A. Graphene Surface-Enabled Lithium Ion-Exchanging Cells: Next-Generation High-Power Energy Storage Devices // Nano Letters. 2011. V. 11. № 9. P. 3785–3791. https://doi.org/10.1021/nl2018492

  4. Das D., Kim S., Lee K-R., Singh A.K. Li diffusion through doped and defected graphene. Physical Chemistry Chemical Physics. 2013. V. 15. № 36. P. 15128–15134. https://doi.org/10.1039/C3CP52891J

  5. Lee E., Persson K.A. Li Absorption and Intercalation in Single Layer Graphene and Few Layer Graphene by First Principles // Nano Letters. 2012. V. 12. P. 4624–4628. https://doi.org/10.1021/nl3019164

  6. Kühne M., Paolucci F., Popovic J., Ostrovsky P.M., Maier J., Smet J.H. Ultrafast lithium diffusion in bilayer graphene // Nature Nanotechnology. 2017. V. 12. P. 895–902. https://doi.org/10.1038/nnano.2017.108

  7. Zhong K., Hu R., Xu G., Yang Y., Zhang J.-M., Huang Z. Adsorption and ultrafast diffusion of lithium in bilayer graphene: Ab initio and kinetic Monte Carlo simulation study // Physical Review B. 2019. V. 99. № 15. P. 155403–12. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.99.155403

  8. Асадов M.M., Мустафаева С.Н., Гусейнова С.C., Лукичев В.Ф., Тагиев Д.Б. Ab initio моделирование влияния расположения и свойств упорядоченных вакансий на магнитное состояние монослоя графена // Физика твердого тела. 2021. Т. 63. № 5. С. 680–689. https://doi.org/10.1134/S1063783421050036

  9. Асадов М.М., Мустафаева С.Н., Гусейнова С.С., Лукичев В.Ф. DFT моделирование электронной структуры и адсорбция германия в упорядоченном графене с вакансией // Микроэлектроника. 2022. Т. 51. № 2. С. 125–139. https://doi.org/10.1134/S1063739722010024

  10. Асадов M.M., Маммадова С.О., Гусейнова С.C., Мустафаева С.Н., Лукичев В.Ф. Моделирование адсорбции золота на поверхность дефектного графена // Микроэлектроника. 2022. Т. 51. № 6. С. 429–442. https://doi.org/10.31857/S054412692270003X

  11. Perdew J.P., Zunger A. Self-interaction correction to density-functional approximations for many-electron systems // Physical Review B. 1981. V. 23. № 10. P. 5048–5079. https://doi.org/10.1103/physrevb.23.5048

  12. Konschuh S., Gmitra M., Fabian J. Tight-binding theory of the spin-orbit coupling in graphene // Physical Review B. 2010. V. 82. № 24. P. 245412–11. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.82.245412

  13. Monkhorst H.J., Pack J.D. Special points for Brillouin zone integrations // Physical Review B. 1976. V. 13. № 12. P. 5188–5192. https://doi.org/10.1103/physrevb.13.5188

  14. Chan K.T., Neaton J.B., Cohen M.L. First-principles study of metal adatom adsorption on graphene // Physical Review B. 2008. V. 77. № 23. P. 235430–12. https://doi.org/10.1103/physrevb.77.235430

  15. Elias D.C., Gorbachev R.V., Mayorov A.S., Morozov S.V., Zhukov A.A., Blake P., Ponomarenko L.A., Grigorieva I.V., Novoselov K.S., Guinea F., Geim A.K. Dirac cones reshaped by interaction effects in suspended graphene // Nature Physics. 2011. V. 7. № 9. P. 701–704. https://doi.org/10.1038/nphys2049

Дополнительные материалы отсутствуют.

Инструменты

следующая статья выпуска предыдущая статья выпуска содержание выпуска

Микроэлектроника

Архивы выпусков Информация о журнале Отправить рукопись в журнал