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

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.

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