Heterojunctions of Carbon Nanotubes and Silver Nanoclusters: a First Principles Study

Les nanotubes de carbone, nanostructures aux propriétés électroniques, mécaniques, et optiques attrayantes, ont été lors de ce dernier quart de siècle le sujet de nombreuses études scientifiques et ont su démontrer des applications plus que variées. En électronique, ils ont été utilisés en outre comme senseurs grâce à leur fonctionnalisation avec des nanoparticules métalliques. Il s'avère que la quantité de particules métalliques se fixant sur la paroi de nanotubes de carbone ait un effet sur les performances des senseurs ainsi fabriqués. Les questions se posent : En quoi la taille d'une particule métallique peut changer son interaction avec un nanotube de carbone ? Quels sont les répercussions de la taille de la particule sur le fonctionnement d'un senseur ? Afin de répondre à ces questions, la présente étude porte sur le calcul ab initio, au moyen de la théorie de la fonctionnelle de la densité (DFT), de la structure électronique de complexes composés de nanotubes de carbone (CNT) et de nanoparticules (NC) métalliques. Étant donné que peu d'études portent sur la structure électronique de complexes AgNC/CNT, nous avons choisis de nous concentrer sur ceux-ci. De plus ces particules sont parmi les plus utilisées dans les applications de senseurs à base de CNT. D'autre part, peu de travaux théoriques portent sur l'effet de taille de nanoparticules métalliques sur les propriétés électroniques de leur interface avec un nanotube de carbone. Ces travaux se démarquent d'autant plus de précédentes études par le soin porté dans la paramétrisation des modèles atomiques utilisés. Finalement, afin d'étudier comment les interfaces peuvent être affectées par une perturbation appliquée aux nanoparticules métalliques, nous considérons l'adsorption du monoxyde de carbone sur ces-dernières. Les buts de l'étude sont donc de comprendre les effets de la taille d'une nanoparticule d'argent sur son interaction avec un nanotube de carbone, ainsi que sur l'impact de la présence du CO sur les complexes AgNC/CNT. Deux types de nanotubes de carbone ont été considérés : un nanotube métallique de chiralité (5,5) et un nanotube semiconducteur de chiralité (10,0). Les effets de taille des nanoparticules d'argent ont été étudiés en considérant des nanoparticules icosahédriques, de haute symétrie, afin de séparer les effets de taille des effets géométriques éventuels. Des particules d'argent de 4, 13, 55, et 147 atomes d'argent ont été considérées, ainsi qu'une surfaces d'argent (111) servant de référence. L'effet de la taille des nanoparticules se manifeste déjà dans le cas des particules d'argent isolées.

Abstract

Carbon nanotubes (CNTs) have garnered much interest in the past quarter century due to their excellent electronic, mechanical, and optical properties. Diverse applications have been developped using carbon nanotubes. For example, in electronics, they have been functionalized with metallic nanoclusters to be used as sensors. Interestingly, the performance of such sensors depends on the quantity of nanoclusters that are applied the CNT surface. This leads us to the following questions: How does metallic nanocluster size affect their interaction with carbon nanotubes? What are the repercussions of these size effects on the performance of a sensor? To answer these questions, the present work revolves around the first-principles calculation, using density functional theory (DFT), of the electronic structure of carbon nanotube and metallic nanoclusters. Given that few studies exist on the interaction of silver nanoparticles and carbon nanotubes, we have chosen the former as to complete the current scientific literature. Furthermore, to the authors knowledge there are no studies on the size effects of silver nanoclusters on the electronic properties of their interface with CNTs. This work further sets itself apart in the care taken in parametrizing the atomic model parameters used. Finally, as to answer the second question, we have chosen to study the effect of the adsorption of carbon monoxide. The goals of this work are to elucidate the silver nanocluster size effects on their interaction with a carbon nanotube, as well as their impact on the sensitivity of a AgNC/CNT sensing unit to CO. Two types of carbon nanotubes have been considered: a metallic CNT of chirality (5,5) and a semiconducting CNT of chirality (10,0). The size effects of the silver nanoclusters have been studied by considering icosahedral clusters, as to separate size effects from eventual effects due to cluster geometry. Clusters of 4, 13, 55, and 147 silver atoms have been considered, as well as (111) silver surfaces that have been used as a reference point. Size effects are already present when observing isolated silver nanlcusters; the quantity of electronic charge per surface atom grows until a plateau is reached for nanoclusters of 55 and 147 silver atoms. to properly isolate the interface of a given nanocluster with a CNT we have optimized the unit cell length under the constraint that the charge transfer between nanocluster and CNT be maximized. The necessary unit cell size was found to be significantly larger than those used in previous works in the literature. Size effects on the complexes electronic structure were studied through the calculated charge transfer, adsorption energy, and chemical bond characteristics defined by cluster-CNT interaction.