Спин-орбитальное взаимодействие в наноструктурах золота

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

Сообщается о влиянии учета спин-орбитального взаимодействия на атомную и электронную структуру 0D (кластеры), 1D (золотые нанотрубки) и 2D (монослой) золота. Актуальность работы заключается в том, что с одной стороны, золотые наноструктуры находят широкое применение, в частности в сенсорике и медицине, с другой стороны, из-за ограниченности вычислительных ресурсов при теоретическом изучении таких объектов исследователи могут пренебрегать некоторыми эффектами и важно понимать, какие ошибки могут быть связаны с таким пренебрежением. Исследование проведено на большом наборе объектов: шесть изомеров кластера Au25, золотые нанотрубки девяти разных радиусов и плоском монослое золота, что позволило комплексно оценить влияние спин-орбитального взаимодействия. Было показано, что энергии когезии всех золотых нанотрубок, кроме самой тонкой из рассмотренных, лежат в диапазоне от энергии когезии золотых нанокластеров до энергии когезии монослоя золота. Учет спин-орбитального взаимодействия приводит к уменьшению межатомных расстояний Au–Au и изменению электронной структуры нанообъектов золота. При этом для нанокластеров возможно существенное изменение положения энергетических уровней, отражающее изменение структуры кластера. Для нанотрубок и голдена вблизи уровня Ферми происходит лишь расщепление энергетических уровней.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

Е. Р. Созыкина

Южно-Уральский государственный университет

Автор, ответственный за переписку.
Email: sozykinaer@susu.ru
Россия, Челябинск

С. А. Созыкин

Южно-Уральский государственный университет

Email: sozykinaer@susu.ru
Россия, Челябинск

Список литературы

  1. Liu X., Wei L., Wang X., He S., Yan Y., Li Q.H., Hu C., Ling Y. Flexible strain sensors based on gold nanowire dominoes for human motion detection // Mater. Today Commun. 2023. V. 35. P. 105703.
  2. Zhou F., Shu L., Yimei T., Li W., Hai L., Zhang X., Li Y., Gao F. Wearable electrochemical glucose sensor of high flexibility and sensitivity using novel mushroom-like gold nanowires decorated bendable stainless steel wire sieve // Anal. Chim. Acta. 2024. V. 1288. P. 342148.
  3. Hassan H., Sharma P., Hasan M.R., Singh S., Thakur D., Narang J. Gold nanomaterials – The golden approach from synthesis to applications // Mater. Sci. Energy Technol. 2022. V. 5. P. 375–390.
  4. Kashiwaya S., Shi Y., Lu J., Sangiovanni D.G., Greczynski G., Magnuson M., Andersson M., Rosen J., Hultman L. Synthesis of goldene comprising single-atom layer gold // Nature Synthesis. 2024. V. 3. № 6. P. 744–751.
  5. Al-Otaibi J.S., Mary Y.S., Mary Y.S., Acharjee N., Al-Saadi A.A., Gamberini M.C. Influence of pyramidal M20 (M = Cu, Ag and Au) clusters on SERS and noncovalent interactions toward tuberculosis drug pretomanid (PTD): DFT study // J. Comput. Biophys. Chem. 2024. V. 23. № 1. P. 47–61.
  6. Al-Otaibi J.S., Mary Y.S., Mary Y.S., Al-Saadi A.A. Revealing the adsorption nature of disulfiram on metal clusters (Au, Pt, Ag, Pd, Cu, and Ni): DFT analysis, SERS enhancement and sensor properties // Comput. Theor. Chem. 2024. V. 1235. P. 114543.
  7. López-Estrada O., Mammen N., Laverdure L., Melander M.M., Häkkinen H., Honkala K. Computational criteria for hydrogen evolution activity on ligand-protected Au25-based nanoclusters // ACS Catal. 2023. V. 13. P. 8997–9006.
  8. Sun Z., Wang J., Su L., Gu Z., Wu X.P., Chen W., Ma W. Dynamic evolution and reversibility of a single Au25 nanocluster for the oxygen reduction reaction // J. Am. Chem. Soc. 2024. V. 146. P. 20059–20068.
  9. Katsiev K., Lozova N., Wang L., Sai Krishna K., Li R., Mei W.N., Skrabalak S.E., Kumar C.S.S.R., Losovyj Y. The electronic structure of Au25 clusters: Between discrete and continuous // Nanoscale. 2016. V. 8. P. 14711–14715.
  10. Kim S., Kim H., Lee C., Park I., Kim Y., Moon D., Shim J.H., Ryu S., Park S.S. Au25 cluster-based atomically precise coordination frameworks and emission engineering through lattice symmetry // ACS Nano. 2024. V. 18. P. 29036–29044.
  11. Zhang H., Lin F., Cheng W., Chen Y., Gu N. Hierarchically oriented jellyfish-like gold nanowires film for elastronics // Adv. Funct. Mater. 2023. V. 33. P. 2209760.
  12. Ikeda T. Gold nanowire mesh electrode for electromechanical device // Sci. Rep. 2023. V. 13. P. 16669.
  13. Li K., Yang Y., Xu C., Ye Y., Huang L., Sun L., Cai Y., Zhou W., Ge Y., Li Y., Zhang Q., Wang Y., Liu X. Vertical gold nanowires-based surface-enhanced Raman scattering for direct detection of ocular bacteria // Sensors Actuators B Chem. 2023. V. 380. P. 133381.
  14. Kim T.Y., Hong S.H., Jeong S.H., Bae H., Cheong S., Choi H., Hahn S.K. Multifunctional intelligent wearable devices using logical circuits of monolithic gold nanowires // Adv. Mater. 2023. V. 35. P. 2303401.
  15. German N., Popov A., Ramanavicius A., Ramanaviciene A. Development and practical application of glucose biosensor based on dendritic gold nanostructures modified by conducting polymers // Biosensors. 2022. V. 12. P. 641.
  16. Chang F., Ren K., Li S., Chang F., Ren K., Li S., Su Q., Peng J., Tan J. A voltammetric sensor for bisphenol A using gold nanochains and carbon nanotubes // Ecotoxicol. Environ. Saf. 2023. V. 252. P. 114588.
  17. Ahmed D.S., Mohammed M.K.A. Studying the bactericidal ability and biocompatibility of gold and gold oxide nanoparticles decorating on multi-wall carbon nanotubes // Chem. Pap. Springer International Publishing. 2020. V. 74. P. 4033–4046.
  18. Tomilina O.A., Konshyna A.A., Milyukovaa E.T., Tomilin S.V., Berzhansky V.N. Correlation of the size factors of nanocatalyzer and carbon nanotubes // Phys. Met. Metallogr. 2022. V. 123. № 11. P. 1112–1116.
  19. Kozlovskiy A.L., Shlimasa D.I., Shumskayac A.E., Kaniukov E.Y., Zdorovets M.V., Kadyrzhanov K.K. Influence of electrodeposition parameters on structural and morphological features of Ni nanotubes // Phys. Met. Metallogr. 2017. V. 118. № 2. P. 164–169.
  20. Oshima Y., Onga A., Takayanagi K. Helical gold nanotube synthesized at 150 K // Phys. Rev. Lett. 2003. V. 91. P. 205503.
  21. Serra M., Arenal R., Tenne R. An overview of the recent advances in inorganic nanotubes // Nanoscale. 2019. V. 11. № 17. P. 8073–8090.
  22. Sheinerman A.G. Mechanical properties of metal matrix composites with graphene and carbon nanotubes // Phys. Met. Metallogr. 2022. V. 123. № 1. P. 57–84.
  23. Liu D.X. Microstructures, properties and strengthening mechanisms of titanium matrix composites reinforced by in situ synthesized TiC and unreacted carbon nanotubes // Phys. Met. Metallogr. 2021. V. 122. P. 1551–1560.
  24. Zhou J., Dong J. Vibrational properties of single-walled gold nanotubes from first principles // Phys. Rev. B. 2007. V. 75. P. 155423.
  25. Cai Y., Zhou M., Zeng M., Zhang C., Feng Y.P. Adsorbate and defect effects on electronic and transport properties of gold nanotubes // Nanotechnology. 2011. V. 22. P. 215702.
  26. Liu Q., Xu C., Wu X., Cheng L. Electronic shells of a tubular Au26 cluster: A cage-cage superatomic molecule based on spherical aromaticity // Nanoscale. 2019. V. 11. № 28. P. 13227–13232.
  27. Ono S., Yoshioka H. Breakdown of continuum elasticity due to electronic effects in gold nanotubes / arXiv: 2411.08289. 2024.
  28. Senger R., Dag S., Ciraci S. Сhiral single-wall gold nanotubes // Phys. Rev. Lett. 2004. V. 93. P. 196807.
  29. Goduljan A., Juarez F., Mohammadzadeh L., Quaino P., Santos E., Schmickler W. Screening of ions in carbon and gold nanotubes – A theoretical study // Electrochem. commun. 2014. V. 45. P. 48–51.
  30. Pathania Y., Kapoor P. Variation in gold monolayer properties on interaction with DNA/RNA nucleobases useful for DNA sensing // Mater. Sci. Eng. B. 2023. V. 288. P. 116152.
  31. Yang X., Dong J. Geometrical and electronic structures of the (5, 3) single-walled gold nanotube from first-principles calculations // Phys. Rev. B. 2005. V. 71. P. 233403.
  32. Nhat P.V., Si N.T., Nguyen M.T. Structural evolution and stability trend of small-sized gold clusters Aun (n = 20-30) // J. Phys. Chem. A. 2020. V. 124. P. 1289–1299.
  33. Flores M.A., Menéndez-Proupin E. Spin-orbit coupling effects in gold clusters: The case of Au13 // J. Phys. Conf. Ser. 2016. V. 720. P. 012032.
  34. Yakovkin I.N., Petrova N.V. A DFT study of the proximity effect in the spin-orbit coupling in Au/graphene, Au/silicene, and Bi/silicene bilayers // Phys. Lett. Sect. A Gen. At. Solid State Phys. 2024. V. 506. P. 129475.
  35. Sozykin S.A., Beskachko V.P. Electronic structure of achiral gold nanotubes // Phys. E Low-Dimensional Syst. Nanostructures. 2020. V. 115. P. 113686.
  36. Созыкина Е.Р., Созыкин С.А. Атомная и электронная структуры хиральных золотых нанотрубок // Вестник ЮУрГУ. Сер. “Математика. Механика. Физика”. 2022. Т. 14. № 4. С. 59–64.
  37. Mironov G.I., Sozykina E.R. Electronic properties of gold nanotubes (5, 3) and (5, 0) in the Hubbard model in the static fluctuation approximation // Low Temp. Phys. 2019. V. 45. № 1. P. 113–117.
  38. Kresse G., Furthmuller J. Efficient iterative schemes for ab initio total-energy calculations using a plane-wave basis set // Phys. Rev. B. 1996. V. 54. P. 11169.
  39. Sozykin S.A. GUI4dft – A SIESTA oriented GUI // Comput. Phys. Commun. 2021. V. 262. P. 107843.
  40. Ganose A.M., Jackson A.J., Scanlon D.O. sumo: Command-line tools for plotting and analysis of periodic ab initio calculations // J. Open Source Softw. 2018. V. 3. P. 717.
  41. D’yachkov P.N., Lomakin N.A. Simulation of spin selectivity of electrical conductivity of chiral platinum nanotubes // Russ. J. Inorg. Chem. 2023. V. 6. № 4. P. 424–429.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Модели (а) кластеров Au25,m, где m = 1–6, (б) ОЗНТ с индексами хиральности (n, 0), n = 3–10 и (в) голдена.

Скачать (267KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Средние межатомные расстояния lAu–Au и относительные энергии ΔE изомеров Au25. Индекс “soc” относится к результатам, полученным при учете спин-орбитального взаимодействия. ΔEref – относительные энергии соответствующих стартовых конфигураций кластеров согласно [32].

Скачать (31KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Энергии когезии и образования золотых нанотрубок как функция их радиуса.

Скачать (22KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Энергетические уровни кластеров Au25 с учетом (красные линии) и без учета (синие линии) спин-орбитального взаимодействия. Энергия отсчитывается от HOMO.

Скачать (31KB)
Метаданные
6. Рис. 5. Зонная структура золотых нанотрубок (n, 0), где n = 3–10. Красные линии – с учетом спин-орбитального взаимодействия, синие – без учета.

Скачать (710KB)
Метаданные
7. Рис. 6. Зонная структура голдена без (синие пунктирные линии) и с (красные линии) учетом спин-орбитального взаимодействия.

Скачать (65KB)
Метаданные