Дефектный монослой нитрида алюминия в качестве электродного материала для суперконденсаторов: исследование методом DFT

В данной работе анализируются квантовые емкостные свойства нанолистов нитрида алюминия (AlNNS) с дефектами, с акцентом на их потенциальное использование в суперконденсаторах. Мы подтвердили структурную стабильность примитивной ячейки с помощью расчетов энергии когезии и анализа фононного спектра. Наши результаты показывают, что монослои, содержащие алюминий (Al), азот (N) или имеющие дефицит Al-N, демонстрируют полупроводниковое состояние p-типа/n-типа или с широкой запрещенной зоной. Расчеты энергии образования дефектов показывают, что AlNNS с дефицитом N является наименее предпочтительным вариантом. Присутствие недокоординированных атомов вблизи дефекта приводит к появлению нового примесного состояния в запрещенной энергетической зоне. Это побудило нас к детальному исследованию их квантовой емкости, на которую сильно влияет плотность состояний вблизи энергии Ферми. Наше исследование показывает, что Al-дефицитные AlNNS достигают максимальной квантовой емкости (CQMax) 690 мкФ/см² в области положительного смещения, что делает их подходящим кандидатом на роль анодного материала в суперконденсаторах. Для сравнения, азот-дефицитные AlNNS достигают CQMax 313 мкФ/см² и максимальной емкости поверхностного заряда (QMax) -91 мкКл/см², что подчеркивает их потенциал в качестве катодного материала. Al-N-дефицитные AlNNS демонстрируют промежуточное поведение с выраженными пиками квантовой емкости в обеих областях смещения, что обеспечивает дополнительную гибкость для потенциальных применений.

1. Hughes Z.E., Walsh T.R. Computational chemistry for graphene-based energy applications: progress and challenges. Nanoscale, 2015, 7 (13), P. 6883–6908.

2. Ponnamma D., Vijayan P., Al Ali Al-Maadeed M. 3D architectures of titania nanotubes and graphene with efficient nanosynergy for supercapacitors. Mater. Des., 2017, 117, P. 203–212.

3. Wang G., Zhang L., Zhang J. A review of electrode materials for electrochemical supercapacitors. Chem. Soc. Rev., 2012, 41 (2), P. 797–828.

4. Pak A.J., Paek E., Hwang G.S. Relative contributions of quantum and double layer capacitance to the supercapacitor performance of carbon nanotubes in an ionic liquid. Phys. Chem. Chem. Phys., 2013, 15 (44), P. 19741–19747.

5. Stoller M.D., Magnuson C.W., Zhu Y., Murali S., Suk J.W., Piner R., Ruoff R.S. Interfacial capacitance of single layer graphene. Energy Environ. Sci., 2011, 4 (11), P. 4685–4689.

6. Xia J., Chen F., Li J., Tao N. Measurement of the quantum capacitance of graphene. Nat. Nanotechnol., 2009, 4 (8), P. 505–509.

7. Vurgaftman I., Meyer J.N. Band parameters for nitrogen-containing semiconductors. J. Appl. Phys., 2003, 94 (6), P. 3675–3696.

8. Wu J. When group-III nitrides go infrared: New properties and perspectives. J. Appl. Phys., 2009, 106 (1), 011101.

9. Zhang Y., Liu J., He R., Zhang Q., Zhang X., Zhu J. Synthesis of aluminum nitride nanowires from carbon nanotubes. Chem. Mater., 2001, 13 (11), P. 3899–3905.

10. Wu Q., Hu Z., Wang X., Lu Y., Chen X., Xu H., Chen Y. Synthesis and characterization of faceted hexagonal aluminum nitride nanotubes. J. Am. Chem. Soc., 2003, 125 (34), P. 10176–10177.

11. Stan G., Ciobanu C.V., Thayer T.P., Wang G.T., Creighton J.R., Purushotham K.P., Cook R.F. Elastic moduli of faceted aluminum nitride nanotubes measured by contact resonance atomic force microscopy. Nanotechnology, 2008, 20 (3), 035706.

12. Zhang X., Liu Z., Hark S. Synthesis and optical characterization of single-crystalline AlN nanosheets. Solid State Commun., 2007, 143 (6-7), P. 317–320.

13. Lei M., Song B., Guo X., Guo Y.F., Li P.G., Tang W.H. Large-scale AlN nanowires synthesized by direct sublimation method. J. Eur. Ceram. Soc., 2009, 29 (1), P. 195–200.

14. Wang P., Wang T., Wang H., Sun X., Huang P., Sheng B., Wang X. Experimental evidence of large bandgap energy in atomically thin AlN. Adv. Funct. Mater., 2019, 29 (36), 1902608. [15] Han L., Li Y., Zhao Y., Meng X., Lei X., Yang X., Liu M. One-time mass production of AlN nanosheets: Synergistic effect of high-energy shear and effective collision in a sanding mill. Ceram. Int., 2024, 50 (11), P. 19642–19649.

15. Javaheri S., Babaeipour M., Boochani A., Naderi S. Electronic and optical properties of V doped AlN nanosheet: DFT calculations. Chin. J. Phys., 2018, 56 (6), P. 2698–2709.

16. Peng Y., Xia C., Zhang H., Wang T., Wei S., Jia Y. Tunable electronic structures of p-type Mg doping in AlN nanosheet. J. Appl. Phys., 2014, 116 (4), 044306.

17. Liu P., De Sarkar A., Ahuja R. Shear strain induced indirect to direct transition in band gap in AlN monolayer nanosheet. Comput. Mater. Sci., 2014, 86, P. 206–210.

18. Tsipas P., Kassavetis S., Tsoutsou D., Xenogiannopoulou E., Golias E., Giamini S.A., Grazianetti C. et al. Evidence for graphite-like hexagonal AlN nanosheets epitaxially grown on single crystal Ag(111). Appl. Phys. Lett., 2013, 103 (25), 251605.

19. Perdew J.P., Burke K., Ernzerhof M. Generalized gradient approximation made simple. Phys. Rev. Lett., 1996, 77 (18), P. 3865–3868.

20. Monkhorst H.J., Pack J.D. Special points for Brillouin-zone integrations. Phys. Rev. B, 1976, 13 (12), P. 5188–5192.

21. Troullier N., Martins J.L. Efficient pseudopotentials for plane-wave calculations. Phys. Rev. B, 1991, 43 (3), P. 1993–2006.

22. Ordej’on P., Artacho E., Soler J.M. Self-Consistent Order-N Density-Functional Calculations for Very Large Systems. Phys. Rev. B, 1996, 53 (16), R10441–R10444.

23. Soler J.M., Artacho E., Gale J.D., Garc’ia A., Junquera J., Ordej’on P., S’anchez-Portal D. The Siesta method for ab initio order-N materials simulation. J. Phys.: Condens. Matter, 2002, 14 (11), P. 2745–2779.

24. The MathWorks Inc. Statistics and Machine Learning Toolbox Documentation, Natick, Massachusetts: The MathWorks Inc., 2022, URL: https://www.mathworks.com/help/stats/index.html.

25. Nguyen D.K., Vu T.V., Hoat D.M. Antiferromagnetic ordering in the TM-adsorbed AlN monolayer (TM = V and Cr). RSC Adv., 2022, 12 (26), P. 16677–16683.

26. SanthiBhushan B., Khan M.S., Bohat V.K., Srivastava A. Quantum capacitance estimations of pyrrolic-rich graphene for supercapacitor electrodes. IEEE Trans. Nanotechnol., 2018, 17 (2), P. 205–211.

27. Hu R., Shang J. Quantum capacitance of transition metal and nitrogen co-doped graphenes as supercapacitors electrodes: A DFT study. Appl. Surf. Sci., 2019, 496, 143659.

28. Mousavi-Khoshdel M., Targholi E., Momeni M.J. First-principles calculation of quantum capacitance of codoped graphenes as supercapacitor electrodes. J. Phys. Chem. C, 2015, 119 (47), P. 26290–26295.

29. Khan Z.R., Abbas Z., Akhter N., Khan M.S., Khan M.S. Enhanced quantum capacitance in Ti, V, Cr, Fe, Ga, Ge, Se, and Br doped arsenene: a first principles investigation. Chem. Phys. Lett., 2023, 823, 140500.