Вісник Львівського університету. Серія фізична 61 (2024) с. 54-74
DOI: https://doi.org/10.30970/vph.61.2024.54

Першопринципне дослідження адсорбції газів на легованих (Co, Cu, Al) (ZnO)n нанокластерах (n=34, 60)

Р. В. Бовгира, О. В. Бовгира, Д. І. Попович, А. С. Середницький, М. В. Коваленко, В. Є. Дзіковський

Були проведені розрахунки у межах теорії функціоналу електронної густини, із використанням наближення узагальненого градієнта, з поправками Хаббарда U (GGA + U), процесів адсорбції молекул вибраних газів (CO, O2, NO2, NH3) на поверхні нанокластерів (ZnO)n (n = 34, 60), легованих різними металами (Co, Cu, Al). Найбільш енергоефективним положенням легуючого атома (Co, Cu, Al) на поверхні нанокластерів (ZnO)n (n = 34, 60) вважається випадок заміни атома цинку на атом легуючої домішки. Ми розрахували енергії адсорбції газових молекул та значення енергетичної щілини в електронному спектрі нанокластерів після адсорбції, визначивши вплив адсорбції на електронні властивості легованих нанокластерів. Зниження значень енергетичної щілини легованих металевими домішками нанокластерів вказує на те, що їх провідність вища порівняно з кластерами з власними точковими дефектами. Крім того, ми підтвердили, що легування значно підвищує чутливість цих нанокластерів до адсорбції газів. Для молекул CO найсильніша адсорбція була спостережена для Co- і Cu-легованих нанокластерів. У випадку молекул O2, найнижчі значення енергії адсорбції показали Al-леговані нанокластери. Для NO2 найбільш енергетично вигідна геометрія адсорбції передбачала взаємодію обох атомів кисню молекули NO2 з легуючим атомом. Серед усіх досліджуваних газів NH3 продемонстрував найвищі значення енергії адсорбції. Адсорбція на поверхні Al-легованих нанокластерів призвела до значного зсуву енергетичних станів атома Al, що спричинило помітне розширення забороненої зони як для нанокластерів (ZnO){34}, так і для (ZnO){60}. Отримані результати свідчать про значне збільшення значень енергії адсорбції молекул газу, адсорбованих на поверхні нанокластерів, легованих металічними домішками, порівняно з результатами попереднього дослідження адсорбції на власних точкових дефектах структури. Ці дослідження доводять, що легування нанокластерів (ZnO)n (n = 34, 60) підвищує їх чутливість до молекул газу і дозволяє їх ефективніше використовувати при побудові газових cенсорів нового покоління.

Текст статті (pdf)

Список посилань
  1. Muth J. Wide Bandgap Light Emitting Materials and Devices / J. Muth, A. Osinsky. -- Wiley-VCH: Weinheim, Germany, 2007, 228 p.
  2. {\"O}zg{\"u}r {\"U}. A comprehensive review of ZnO materials and devices / {\"U}. {\"O}zg{\"u}r, Ya. I. Alivov, C. Liu, A. Teke, M. A. Reshchikov, S. Do{\u{g}}an, V. Avrutin, S.-J. Cho, H. Morko\c{c} // J. Appl. Phys. -- 2005. -- Vol. 98. -- P. 041301. doi: 10.1063/1.1992666.
  3. Laudise R. A. Hydrothermal synthesis of zinc oxide and zinc sulfide / \mbox{R. A. Laudise}, A. A. Ballman // J. Phys. Chem. -- 1960. -- Vol. 64. -- P. 688-691. doi: 10.1021/j100834a511.
  4. Song R. Nanocomposite of Half-Fin Anchovy Hydrolysates/Zinc Oxide Nanoparticles Exhibits Actual Non-Toxicity and Regulates Intestinal Microbiota, Short-Chain Fatty Acids Production and Oxidative Status in Mice / R. Song, \mbox{Y. Jianbin}, S. Qingqing, W. Rongbian // Mar. Drugs -- 2018. -- Vol. 16, № 1. -- P. 23. doi: 10.3390/md16010023.
  5. Shuangxing D. Piezoelectric constants for ZnO calculated using classical polarizable core–shell potentials / D. Shuangxing, M. L. Dunn, H. S. Park // Nanotechnology -- 2010. -- Vol. 21, № 44. -- P. 5707. doi: 10.1088/0957-4484/21/44/445707.
  6. Murugesan M. Properties of Al-doped zinc oxide and In-doped zinc oxide bilayer transparent conducting oxides for solar cell applications / M. Murugesan, D. Arjunraj, J. Mayandi, V. Venkatachalapathy // Mater. Lett. -- 2018. -- Vol. 222. -- P. 50--53. doi: 10.1016/j.matlet.2018.03.097.
  7. Bobitski Ya. V. The Influence of Surface Doping on Adsorption Ability of Nanopowder Metal Oxides for Gas Sensors / Ya. V. Bobitski, R. V. Bovhyra, D. I. Popovych1, S. S. Savka, A. S. Serednytski, V. N. Shevchuk, Yu. I. Venhryn // J. Nano-Electron. Phys. -- 2017. -- Vol. 9, № 5. -- P. 05008. doi: 10.21272/jnep.9(5).05008.
  8. Nain V. Development, characterization, and biocompatibility of zinc oxide coupled starch nanocomposites from different botanical sources / V. Nain, M. Kaur, K. S. Sandhu, R. Thory, A. Sinhmar // Int. J. Biol. Macromol. -- 2020. -- Vol. 162. -- P. 24--30. doi: 10.1016/j.ijbiomac.2020.06.125.
  9. Xie Z. Hybrid Photoconductive Cathode Interlayer Materials Composed of Perylene Bisimide Photosensitizers and Zinc Oxide for High Performance Polymer Solar Cells / Z. Xie, F. Wurthner // Adv. Energy Mater. -- 2017. -- Vol. 7, № 16. -- P. 1602573. doi: 10.1002/aenm.201602573.
  10. Bovhyra R. V. Photoluminescent properties of complex metal oxide nanopowders for gas sensing / R. V. Bovhyra, S. I. Mudry, D. I. Popovych, S. S. Savka, A. S. Serednytski // Appl. Nanosci. -- 2019. -- Vol. 9. -- P. 775–780. doi: 10.1007/s13204-018-0697-9.
  11. Wang C. Metal Oxide Gas Sensors: Sensitivity and Influencing Factors / C. Wang, L. Yin, L. Zhang, D. Xiang, R. Gao // Sensors. -- 2010. -- Vol. 10. -- P. 2088–2106. doi: 10.3390/s100302088.
  12. Sun Y. F. Metal Oxide Nanostructures and Their Gas Sensing Properties: A Review / Y. F. Sun, Sh.-B. Liu, F.-L. Meng, J.-Y. Liu, Zh. Jin, L.-T. Kong,J.-H. Liu // Sensors. -- 2012. -- Vol. 12. -- P. 2610–2631. doi: 10.3390/s120302610.
  13. Guziewicz E. Oxide-Based Materials and Structures \ E. Guziewicz -- CRC Press: New York, 2020. P. 201--229. .
  14. Rovisco A. Seed-Layer Free Zinc Tin Oxide Tailored Nanostructures for Nanoelectronic Applications: Effect of Chemical Parameters / A. Rovisco // ACS Appl. Nano Mater. -- 2018. -- Vol. 1, № 8. -- P. 3986--3997. doi: 10.1021/acsanm.8b00743.
  15. Muchuweni E. Synthesis and characterization of zinc oxide thin films for optoelectronic applications / E. Muchuweni, T. S. Sathiaraj, H. Nyakotyo // Heliyon. -- 2017. -- Vol. 3, № 4. -- P. e00285. doi: 10.1016/j.heliyon.2017.e00285.
  16. Ali M. Role of defects and dopants in zinc oxide nanotubes for gas sensing and energy storage applications / M. Ali, N. Tit, Z. H. Yamani // Int. J. Energy Res. -- 2020. -- Vol. 44, № 13. -- P. 10926--10936. doi: 10.1002/er.5656.
  17. Dicastillo C. L. Antimicrobial Bilayer Nanocomposites Based on the Incorporation of As-Synthetized Hollow Zinc Oxide Nanotubes / C. L. Dicastillo // Nanomaterials. -- 2020. -- Vol. 10, № 3. -- P. 503. doi: 10.3390/nano10030503.
  18. Gafiychuk V. V. ZnO nanoparticles produced by reactive laser ablation / V. M. Zhyrovetsky, B. K. Ostafiychuk, D. I. Popovych, I. D. Popovych, A. S. Serednytski // Appl. Surf. Sci. -- 2011. -- Vol. 257, № 20. -- P. 8396--8401. doi: 10.1016/j.apsusc.2011.04.084.
  19. Zhyrovetsky V. M. Nanopowder Metal Oxide for Photoluminescent Gas Sensing / V. M. Zhyrovetsky, D. I. Popovych, S. S. Savka, A. S. Serednytski // Nanoscale Res. Lett. -- 2017. -- Vol. 12. -- P. 132. doi: 10.1186/s11671-017-1891-5.
  20. Chen M. Machine-Learning Approach for the Development of Structure–Energy Relationships of ZnO Nanoparticles / M. Chen, D. A. Dixon // J. Phys. Chem. C. -- 2018. -- Vol. 122. -- P. 18621--18639. doi: 10.1021/acs.jpcc.8b01667.
  21. Zang J. Electrical Self-Healing of Mechanically Damaged Zinc Oxide Nanobelts / J. Zang, Z. H. Xu, R. A. Webb, X. Li // Nano Lett. -- 2011. -- Vol. 11, № 1. -- P. 241--244. doi: 10.1021/nl103637k.
  22. Joshi R. K. Au Decorated Zinc Oxide Nanowires for CO Sensing / R. K. Joshi, Q. Hu, F. Alvi, N. Joshi, A. Kumar // J. Phys. Chem. C. -- 2009. -- Vol. 113, № 36. -- P. 16199--16202. doi: 10.1021/jp906458b.
  23. Cui J. Zinc oxide nanowires / J. Cui // Mater. Charact. -- 2012. -- Vol. 64. -- P. 43--52. doi: 10.1016/j.matchar.2011.11.017.
  24. Alenezi M. R. Hierarchical zinc oxide nanorings with superior sensing properties / M. R. Alenezi // Mater. Sci. Eng. B. -- 2018. -- Vol. 236--237. -- P. 132--138. doi: 10.1016/j.mseb.2018.11.011.
  25. Caliskan S. Spin resolved electronic structure and transport properties of zinc oxide nanoribbon based devices / S. Caliskan // Physica E. -- 2019. -- Vol. 107. -- P. 67--72. doi: 10.1016/j.physe.2018.10.032.
  26. Kim S. Doxorubicin-Wrapped Zinc Oxide Nanoclusters for the Therapy of Colorectal Adenocarcinoma / S. Kim, S. Yi. Lee, H.-J. Cho // Nanomaterials. -- 2017. -- Vol. 7, № 11. -- P. 354. doi: 10.3390/nano7110354.
  27. Chen M. Structural and Electronic Property Study of (ZnO)n, n \le 168: Transition from Zinc Oxide Molecular Clusters to Ultrasmall Nanoparticles / M. Chen, T. P. Straatsma, Z. Fang, D. A. Dixon // J. Phys. Chem. C. -- 2016. -- Vol. 120. -- P. 20400--20418. doi: 10.1021/acs.jpcc.6b06730.
  28. Zhyrovetsky V. Modification of structure and luminescence of ZnO nanopowder by the laser shock-wave treatment / V. Zhyrovetsky, B. Kovalyuk, V. Mocharskyi, Yu. Nikiforov, V. Onisimchuk, D. Popovych, A. Serednytski // Physica Status Solidi (c). -- 2013. -- Vol. 10, № 10. -- P. 1288--1291. doi: 10.1002/pssc.201200889.
  29. Singh J. A versatile multifaceted resistive switching memory activated by light and ion irradiation in poly (3-octylthiophene)-zinc oxide hybrids / J. Singh, R. G. Singh, S. K. Gautam, H. Gupta, F. Singh // Org. Electron. -- 2020. -- Vol. 87. -- P. 105932. doi: 10.1016/j.orgel.2020.105932.
  30. Vittal R. Zinc oxide based dye-sensitized solar cells: A review / R. Vittal, K.-C. Ho // Renew Sust. Energ. Rev. -- 2017. -- Vol. 70. -- P. 920--935. doi: 10.1016/j.rser.2016.11.273.
  31. Bobitski Y. Growth, structure, and properties of oxide luminophor thin films obtained by pulsed laser technology / Y. Bobitski, B. Kotlyarchuk, D. Popovych, V. Savchuk // Proc. SPIE. -- 2001. -- Vol. 4425. -- P. 342--346. doi: 10.1117/12.429748.
  32. Leonardi S. G. Two-Dimensional Zinc Oxide Nanostructures for Gas Sensor Applications / S. G. Leonardi // Chemosensors. -- 2017. -- Vol. 5, № 2. -- P. 17. doi: 10.3390/chemosensors5020017.
  33. Zhang Y. The role of Ce doping in enhancing sensing performance of ZnO-based gas sensor by adjusting the proportion of oxygen species / Y. Zhang, Yu. Liu, L. Zhou // Sens. Actuat. B. Chem. -- 2018. -- Vol. 273. -- P. 991--998. doi: 10.1016/j.snb.2018.05.167.
  34. Venhryn Yu. I. Obtaining, structure and gas sensor properties of nanopowder metal oxides / Yu. I. Venhryn, S. S. Savka, R. V. Bovhyra, V. M. Zhyrovetsky, A. S. Serednytski, D. I. Popovych // Mater. Today: Proc. -- 2021. -- Vol. 35, № 4. -- P. 588--594. doi: 10.1016/j.matpr.2019.11.118.
  35. Lazoryk I. V. Peculiarities of photoluminescence in gas ambient of doped ZnO nanopowders / I. V. Lazoryk, I. D. Popovych, Yu. I. Venhryn, S. S. Savka, R. V. Bovhyra, A. S. Serednytski, S. I. Mudry // Appl. Nanosci. -- 2020. -- Vol. 10. -- P. 5003–5008. doi: 10.1007/s13204-020-01336-8.
  36. Bovhyra R. Ab Initio Study of Structural and Electronic Properties of (ZnO)n “Magical” Nanoclusters n = (34, 60) / R. Bovhyra, D. Popovych, O. Bovgyra, A. S. Serednytski // Nanoscale Res. Lett. -- 2017. -- Vol. 12. -- P. 76. doi: 10.1186/s11671-017-1848-8.
  37. Al-Sunaidi A. Investigating the adsorption of H2O on ZnO nanoclusters by first principle calculations / A. Al-Sunaidi, S. Goumri-Said // Chem. Phys. Lett. -- 2011. -- Vol. 507, № 1--3. -- P. 111--116. doi: 10.1016/j.cplett.2011.03.041.
  38. Bovgyra O. V. The Density Functional Theory Study of Electronical Properties of (ZnO)12 Clusters During Gas Adsorption / O. V. Bovgyra, R. V. Bovgyra, D. I. Popovych, A. S. Serednytski // J. Nano-Electron. Phys. -- 2015. -- Vol. 7, № 4. -- P. 04090.
  39. Bovhyra R. First principle study of electronic properties of ZnO nanoclusters with native point defects during gas adsorption / R. Bovhyra, Yu. Venhryn, A. Serednytski, O. Bovgyra, D. Popovych // Appl. Nanosci. -- 2022. -- Vol. 12. -- P. 983–993, doi: 10.1007/s13204-021-01756-0.
  40. Gonze X. ABINIT: First-principles approach to material and nanosystem properties / X. Gonze, B. Amadon, P.-M. Anglade, J.-M. Beuken, F. Bottin, P. Boulanger, F. Bruneval, D. Caliste, R. Caracas, M. C\^{o}t\'{e}, T. Deutsch, L. Genovese, Ph. Ghosez, M. Giantomassi, S. Goedecker, D. R. Hamann, P. Hermet, F. Jollet, G. Jomard, S. Leroux, J. W. Zwanziger // Comput. Phys. Commun. -- 2009. -- Vol. 180, № 12. -- P. 2582--2615. doi: 10.1016/j.cpc.2009.07.007.
  41. Bovgyra O. V. The Density Functional Theory Study of Structural and Electronical Properties of ZnO Clusters / O. V. Bovgyra, R. V. Bovgyra, M. V. Kovalenko, D. І. Popovych, А. S. Serednytski // J. Nano-Electron. Phys. -- 2013. -- Vol. 5, № 1. -- P. 01027.
  42. Bovhyra R. First principle study of native point defects in (ZnO)n nanoclusters (n = 34, 60) / R. Bovhyra, D. Popovych, O. Bovgyra, A. Serednytski // Appl. Nanosci. -- 2019. -- Vol. 9. -- P. 1067–1074. doi: 10.1007/s13204-018-0706-z.
  43. Monastyrskii L. S. Electronic Structure of Silicon Nanowires Matrix from Ab Initio Calculations / L. S. Monastyrskii, Y. V. Boyko, B. S. Sokolovskii, V. Ya. Potashnyk // Nanoscale Res. Lett. -- 2016. -- Vol. 11. -- P. 25. doi: 10.1186/s11671-016-1238-7.
  44. Baker J. Geometry optimization in delocalized internal coordinates: An efficient quadratically scaling algorithm for large molecules / J. Baker, D. Kinghorn, P. Pulay // J. Chem. Phys. -- 1999. -- Vol. 110. -- P. 4986. doi: 10.1063/1.478397.
  45. Perdew J. P. Generalized Gradient Approximation Made Simple / J. P. Perdew, K. Burke, M. Ernzerhof // Phys. Rev. Lett. -- 1996. -- Vol. 77. -- P. 3865. doi: 10.1103/PhysRevLett.77.3865.
  46. Cococcioni M. Linear response approach to the calculation of the effective interaction parameters in the LDA+U method / M. Cococcioni, S. Gironcoli // Phys Rev B. -- 2005. -- Vol. 71. -- P. 035105. doi: 10.1103/PhysRevB.71.035105.
  47. Goh E. S. Effects of Hubbard term correction on the structural parameters and electronic properties of wurtzite ZnO / E. S. Goh, J. W. Mah, T. L. Yoon // Comput. Mater. Sci. -- 2017. -- Vol. 138. -- P. 111--116. doi: 10.1016/j.commatsci.2017.06.032.
  48. Bovgyra O. Effect of In, Ga and Al heavy doping on electronic structure of ZnO: first principle calculation / O. Bovgyra, M. Kovalenko, R. Bovhyra, V. Dzikovskyi // J. Phys. Stud. -- 2019. -- Vol. 23. -- P. 4301. doi: 10.30970/jps.23.4301.
  49. Kovalenko M. A DFT study for adsorption of CO and H2 on Pt-doped ZnO nanocluster / M. Kovalenko, O. Bovgyra, V. Dzikovskyi, R. Bovhyra // SN Appl. Sci. -- 2020. -- Vol. 2. -- P. 790. doi: 10.1007/s42452-020-2591-9.
  50. Bovhyra R. DFT study of native point defects in (ZnO)n (n = 34, 60) nanoclusters / R. Bovhyra, D. I. Popovych, O. V. Bovgyra, A. S. Serednytsky, // J. Phys. Stud. -- 2019. -- Vol. 23, № 2. -- P. 2702. doi: 10.30970/jps.23.2702.
  51. Mang A. Band gaps, crystal-field splitting, spin-orbit coupling, and exciton binding energies in ZnO under hydrostatic pressure / A. Mang, K. Reimann, St. R\"{u}benacke // Solid State Commun. -- 1995. -- Vol. 94, № 4. -- P. 251--254. doi: 10.1016/0038-1098(95)00054-2.
  52. Monkhorst H. J. Special points for Brillouin-zone integrations / H. J. Monkhorst, J. D. Pack // Phys. Rev. B. -- 1976. -- Vol. 13. -- P. 5188. doi: 10.1103/PhysRevB.13.5188.
  53. Chakma S. Investigation in mechanistic issues of sonocatalysis and sonophotocatalysis using pure and doped photocatalysts / S. Chakma, V. S. Moholkar // Ultrason. Sonochem. -- 2015. -- Vol. 22. -- P. 287–299. doi: 10.1016/j.ultsonch.2014.06.008.
  54. Yang Y. Shape control of colloidal Mn doped ZnO nanocrystals and their visible light photocatalytic properties / Y. Yang, Y. Li, L. Zhu, H. He, L. Hu, J. Huang, F. Hu, B. He, Z. Ye // Nanoscale. -- 2013. -- Vol. 5. -- P. 10461–10471. doi: 10.1039/C3NR03160H.
  55. Aslanzadeh S. Transition metal doped ZnO nanoclusters for carbon monoxide detection: DFT studies / S. Aslanzadeh // J. Mol. Model. -- 2016. -- Vol. 22. -- P. 160–165. doi: 10.1007/s00894-016-3032-y.
  56. Liu J. CO Adsorption and Oxidation on N-Doped TiO2 Nanoparticles / J. Liu, L. Dong, W. Guo, L. Tongxiang, L. Wensheng // J. Phys. Chem. C. -- 2013. -- Vol. 117, № 25. -- P. 13037–13044. doi: 10.1021/jp4001972.
  57. Lin L. Adsorption of gas molecules on Co-doped SnO2 (110): First-principles investigation / L. Lin et al. // J. Appl. Phys. -- 2021. -- Vol. 129. -- P. 244504. doi: 10.1063/5.0052286.
  58. Hadipour N. L. Theoretical Study on the Al-Doped ZnO Nanoclusters for CO Chemical Sensors / N. L. Hadipour, A. A. Peyghan, H. Soleymanabadi // Phys. Chem. C. -- 2015. -- Vol. 119. -- P. 6398–6404. doi: 10.1021/jp513019z.
  59. Zhang Z. Effect of Adsorbed Donor and Acceptor Molecules on Electron Stimulated Desorption: O2/TiO2(110) / Z. Zhang, J. T. Jr Yates // J. Phys. Chem. Lett. -- 2010. -- Vol. 1, No. 14. -- P. 2185--2188. doi:10.1021/jz1007559.
  60. Sarf F. Metal oxide gas sensors by nanostructures / F. Sarf -- IntechOpen, London, 2020. doi:10.5772/intechopen.88858.
  61. Bovhyra R. Development and Creating of Gas-Sensor System Based on Low Dimensional Metal Oxides / R. V. Bovhyra, V. M. Zhyrovetsky, D. I. Popovych, S. S. Savka, A. S. Serednytsky // Sci. Innov. -- 2016. -- Vol. 12, № 6. -- P. 59--65. doi: 10.15407/scin12.06.059.
  62. Lee Z. R. Reaction of NO2 with Groups IV and VI Transition Metal Oxide Clusters / Z. R. Lee, L. A. Flores, W. B. Copeland, J. G. Murphy, D. A. Dixon // J. Phys. Chem. A. -- 2020. -- Vol. 124. -- P. 9222--9236. doi: 10.1021/acs.jpca.0c06760.
  63. Zhang Y.-H. Al doped narcissus-like ZnO for enhanced NO2 sensing performance: An experimental and DFT investigation / Y.-H. Zhang, Y.-L. Li, F.-L. Gong // Sens. Actuat. B-Chem. -- 2020. -- Vol. 305. -- P. 127489. doi: 10.1016/j.snb.2019.127489.