Влияние допирования на электронную структуру и оптические свойства кремниевых бипризманов: DFT и TD-DFT анализ

М. Салем, М.А. Гимальдинова, А.И. Кочаев ORCID logo , М.М. Маслов показать трудоустройства и электронную почту
Получена: 18 апреля 2020; Исправлена: 27 апреля 2020; Принята: 11 мая 2020
Эта работа написана на английском языке
Цитирование: М. Салем, М.А. Гимальдинова, А.И. Кочаев, М.М. Маслов. Влияние допирования на электронную структуру и оптические свойства кремниевых бипризманов: DFT и TD-DFT анализ. Письма о материалах. 2020. Т.10. №3. С.294-298
BibTex   https://doi.org/10.22226/2410-3535-2020-3-294-298

Аннотация

Относительные интенсивности УФ-видимых спектров кремниевых бипризманов сильно зависят от типа легирования. В частности, допирование метильными радикалами и атомами фтора обеспечивает преобладающую интенсивность спектров поглощения окта- и гекса-бипризманов соответственно.В настоящей работе мы представляем результаты анализа трехслойных кремниевых бипризманов, легированных метильными группами и атомами фтора с использованием теории функционала плотности. Мы рассмотрели допированные системы, образованные пяти-, шести-, семи- и восьмичленными кремниевыми кольцами. Установлено, что более крупные бипризманы слабее взаимодействуют с легирующими добавками, из‑за меньшей напряженности каркаса, то есть их поверхности являются «более плоскими». Ослабление взаимодействия проявляется в том числе в удлинении ковалентных связей между кремниевым каркасом и присоединенными радикалами. Однако выигрыш / потеря энергии в результате реакции замещающего легирования практически не зависит от эффективного размера системы. Расчетные парциальные малликеновские заряды атомов фтора отрицательны и составляют −0.3 элементарных зарядов. Соответствующее значение для метиленовых групп примерно в три раза меньше. Щели HOMO-LUMO легированных бипризманов испытывают колебания с увеличением их диаметра с общей тенденцией к уменьшению. Величина щели допированных бипризманов находится в диапазоне от 2 до 3 эВ и незначительно отличается от соответствующих значений для незамещенных систем. Оптические свойства и возбужденные состояния допированных бипризманов рассчитывались с использованием нестационарной теории функционала плотности (TD-DFT). Для всех рассмотренных систем мы определили ультрафиолетовый и видимый спектры. Установлено, что частоты поглощения слабо зависят от типа радикала и эффективного размера системы. Однако присутствие радикалов приводит к значительным изменениям относительных интенсивностей спектров поглощения бипризманов различной формы. Мы обнаружили, что допирование метильными радикалами и атомами фтора обеспечивает преобладающую интенсивность спектров поглощения окта- и гекса-бипризманов соответственно. Наблюдаемый эффект может быть использован для оптического обнаружения бипризманов с конкретной структурой или диаметром в смеси с другими кремниевыми системами.

Ссылки (34)

1. M. A. Gimaldinova, K. P. Katin, M. A. Salem, M. M. Maslov. Lett. Mater. 8 (4), 454 (2018). Crossref
2. V. Blank, M. Popov, S. Buga, V. Davydov, V. N. Denisov, A. N. Ivlev, B. N. Marvin, V. Agafonov, R. Ceolin, H. Szwarc, A. Rassat. Physics Letters A. 188 (3), 281 (1994). Crossref
3. V. D. Blank, S. G. Buga, G. A. Dubitsky, N. R. Serebryanaya, M. Yu. Popov, B. Sundqvist. Carbon. 36 (4), 319 (1998). Crossref
4. G.-L. She, F.-G. Yuan, B. Karami, Y.-R. Ren, W.-S. Xiao. International Journal of Engineering Science. 135, 58 (2019). Crossref
5. Z. Ma, J. Yang, L. Wang, L. Shi, P. Li, G. Chen, C. Miao, C. Mei. Journal of Alloys and Compounds. 745, 688 (2018). Crossref
6. Ç. Kılıç, T. Yildirim, H. Mehrez, S. Ciraci. J. Phys. Chem. A. 104 (12), 2724 (2000). Crossref
7. T. J. Katz, N. Acton. J. Am. Chem. Soc. 95 (8), 2738 (1973). Crossref
8. P. E. Eaton, Y. S. Or, S. J. Branca. J. Am. Chem. Soc. 103 (8), 2134 (1981). Crossref
9. H. Matsumoto, K. Higuchi, S. Kyushin, M. Goto. Angewandte Chemie International Edition in English. 31 (10), 1354 (1992). Crossref
10. N. Koshida, N. Matsumoto. Materials Science and Engineering: R: Reports. 40 (5), 169 (2003). Crossref
11. L. V. Duong, E. Matito, M. Solà, H. Behzadi, M. T. Nguyen, M. J. Momeni. Phys. Chem. Chem. Phys. 20, 23467 (2018). Crossref
12. K. P. Katin, K. S. Grishakov, M. A. Gimaldinova, M. M. Maslov. Comp. Mat. Sci. 174, 109480 (2020). Crossref
13. H. Vach. Phys. Rev. Lett. 112 (19), 197401 (2014). Crossref
14. K. P. Katin, S. A. Shostachenko, A. I. Avkhadieva, M. M. Maslov. Adv. Phys. Chem. 2015, 506894 (2015). Crossref
15. L. K. Rysaeva, D. S. Lisovenko, V. A. Gorodtsov, J. A. Baimova. Comp. Mat. Sci. 172, 109355 (2020). Crossref
16. L. K. Rysaeva, J. A. Baimova, S. V. Dmitriev, D. S. Lisovenko, V. A. Gorodtsov, A. I. Rudskoy. Diamond and Related Materials. 97, 107411 (2019). Crossref
17. K. P. Katin, M. M. Maslov. Adv. Cond. Matt. Phys. 2015, 754873 (2015). Crossref
18. H.-T. Huang, L. Zhu, M. D. Ward, T. Wang, B. Chen, B. L. Chaloux, Q. Wang, A. Biswas, J. L. Gray, B. Kuei, G. D. Cody, A. Epshteyn, V. H. Crespi, J. V. Badding, T. A. Strobel. J. Am. Chem. Soc. (2020). Crossref
19. M. M. Maslov, K. P. Katin, A. I. Avkhadieva, A. I. Podlivaev. Russ. J. Phys. Chem. B. 8 (2), 152 (2014). Crossref
20. L. Zhou, G. Zhang, F. Xiu, S. Xia, L. Yu. RSC Advances. 10 (15), 8618 (2020). Crossref
21. K. Flanagan, S. S. R. Bernhard, S. Plunkett, M. O. Senge. Chemistry. A European Journal. 25 (28), 6941 (2019). Crossref
22. B. Huang, L. Zhuang, L. Xiao, J. Lu. Chem. Sci. 4 (2), 606 (2013). Crossref
23. A. Equbal, S. Srinivasan, N. Sathyamurthy. J. Chem. Sci. 129 (7), 911 (2017). Crossref
24. M. M. Maslov, K. S. Grishakov, M. A. Gimaldinova, K. P. Katin. Fullerenes, Nanotubes and Carbon Nanostructures. 28, 97 (2019). Crossref
25. K. P. Katin, M. M. Maslov. Molecular Simulation. 44 (9), 703 (2018). Crossref
26. S. A. Shostachenko, M. M. Maslov, V. S. Prudkovskii, K. P. Katin. Phys. Sol. State. 57 (5), 1023 (2015). Crossref
27. H. Vach. Chem. Phys. Lett. 614, 199 (2014). Crossref
28. K. P. Katin, M. B. Javan, M. M. Maslov, A. Soltani. Chem. Phys. 487, 59 (2017). Crossref
29. K. P. Katin, V. S. Prudkovskiy, M. M. Maslov. Physica E: Low-Dimensional Systems and Nanostructures. 81, 1 (2016). Crossref
30. M. W. Schmidt, K. K. Baldridge, J. A. Boatz, S. T. Elbert, M. S. Gordon, J. H. Jensen, S. Koseki, N. Matsunaga, K. A. Nguyen, S. Su, T. L. Windus, M. Dupuis, J. A. Montgomery. J. Comp. Chem. 14 (11), 1347 (1993). Crossref
31. A. D. Becke. J. Chem. Phys. 98 (7), 5648 (1993). Crossref
32. C. Lee, W. Yang, R. G. Parr. Phys. Rev. B. 37 (2), 785 (1988). Crossref
33. R. Krishnan, J. S. Binkley, R. Seeger, J. A. Pople. J. Chem. Phys. 72 (1), 650 (1980). Crossref
34. V. S. Prudkovskiy, K. P. Katin, M. M. Maslov, P. Puech, R. Yakimova, G. Deligeorgis. Carbon. 109, 221 (2016). Crossref

Финансирование

1. Российский научный фонд - Грант № 18-72-00183