Квантово-механический расчёт устойчивости наночастиц CdSe, легированных 3 d-металлами
|
Введение 4
1 Физико-химические свойства, строение и применение квантовых точек
селенида кадмия легированных 3 й-металлами 8
1.1 Кристаллическая структура CdSe 8
1.2 Применение нанообъектов CdSe 10
2 Способы получения и методики синтеза наночастиц CdSe, легированных
3й-металлами 11
2.1 Методика синтеза наночастиц CdSe, легированных марганцем 11
2.2 Методика синтеза наночастиц CdSe, легированных железом 11
2.3 Методика синтеза наночастиц CdSe, легированных кобальтом 12
2.4 Методика синтеза наночастиц CdSe, легированных никелем 13
3 Компьютерное моделирование наноструктур селенида кадмия,
легированых 34- металлами 16
3.1 Расчёт энергии связи наночастиц в программном модуле '^пЬопй ... 16
3.2 Техника безопасности 18
4 Анализ результатов компьютерного моделирования релаксационных
процессов методом молекулярной механики 20
4.1 Компьютерное моделирование нанослоев С48е 20
4.1.1 Закономерности изменения энергии нанослоев CdSe:Мп 20
4.1.2 Закономерности изменения энергии нанослоев CdSe:Бе 24
4.1.3 Закономерности изменения энергии нанослоев CdSe:Со 27
4.1.4 Закономерности изменения энергии нанослоев CdSe:М 30
5 Анализ результатов компьютерного моделирования релаксационных
процессов методом квантовой нанокинетики 34
5.1 Компьютерное моделирование релаксационных процессов в нанослоях CdSe 34
Заключение и выводы 40
Библиографический список 42
Приложение А 50
Приложение Б 55
Приложение В 58
Приложение Г
1 Физико-химические свойства, строение и применение квантовых точек
селенида кадмия легированных 3 й-металлами 8
1.1 Кристаллическая структура CdSe 8
1.2 Применение нанообъектов CdSe 10
2 Способы получения и методики синтеза наночастиц CdSe, легированных
3й-металлами 11
2.1 Методика синтеза наночастиц CdSe, легированных марганцем 11
2.2 Методика синтеза наночастиц CdSe, легированных железом 11
2.3 Методика синтеза наночастиц CdSe, легированных кобальтом 12
2.4 Методика синтеза наночастиц CdSe, легированных никелем 13
3 Компьютерное моделирование наноструктур селенида кадмия,
легированых 34- металлами 16
3.1 Расчёт энергии связи наночастиц в программном модуле '^пЬопй ... 16
3.2 Техника безопасности 18
4 Анализ результатов компьютерного моделирования релаксационных
процессов методом молекулярной механики 20
4.1 Компьютерное моделирование нанослоев С48е 20
4.1.1 Закономерности изменения энергии нанослоев CdSe:Мп 20
4.1.2 Закономерности изменения энергии нанослоев CdSe:Бе 24
4.1.3 Закономерности изменения энергии нанослоев CdSe:Со 27
4.1.4 Закономерности изменения энергии нанослоев CdSe:М 30
5 Анализ результатов компьютерного моделирования релаксационных
процессов методом квантовой нанокинетики 34
5.1 Компьютерное моделирование релаксационных процессов в нанослоях CdSe 34
Заключение и выводы 40
Библиографический список 42
Приложение А 50
Приложение Б 55
Приложение В 58
Приложение Г
Легированные ионами переходных 3d- металлов, такими например как марганец, железо, кобальт, никель и медь квантовые точки, таких как являются магнитными квантовыми точкамии. Особую значимость из легирующих элементов представляет марганец. Это вызвано тем, что ионы Mn2+имеют пять не спаренных электронов и магнитный момент 5/2. Это придаёт спектру ЭПР характеристические линии Зеемановского расщепления. Более того, марганец может достаточно легко встраиваться в кристаллическую структуру CdSe [1].
Фотолюминесценция магнитных квантовых точек размерно-зависима. Более того она обладает чувствительностью к приложенному магнитному полю. Благодаря уникальным свойствам таких квантовых точек их область применения расширяется. Особый интерес вызывают квантовые точки легированные ионами марганца. Такие квантовые точки могут быть использованы в роли компонента биологического агента в комбинированном анализе Люминесценция-МРТ. Еще одним способом применения таких квантовых точек является их использование в качестве покрытия фотоэлектродов солнечных батарей, чтобы повысить их чувствительность. В настоящее время исследуется использования магнитных квантовых точек в нанокомпьютерах, в качестве единиц памяти. [1]
DMS - это простые немагнитные полупроводники, которые легировали ионами магнитного переходного металла, такими как Mn, Cr, Fe, Co, Ni и т. д. DMS применяют в устройствах со спиновой памятью. Они могут быть эффективно использованы в качестве источника инжекции спин- поляризованных носителей в полупроводниках и спиновых вентилях. Среди полупроводников AII-BVI CdSe является одним из преобладающих кандидатов, который демонстрирует оптическую запрещенную зону 1,75 эВ и демонстрирует проводимость n-типа. [2]
Такие свойства создают полупроводниковые наноструктуры, подходящие для нескольких видов применения, от антиотражающих покрытий до бимолекулярных устройств обнаружения и излучения света. [3]
Легирование ионов Мп, М,Со,Ре в материал - хозяин С6Зе действует как состояние ловушки для электронов и дырок и обеспечивает люминесценцию. Однако присутствие двух разных типов ионов одновременно в материале-хозяине приводит к флуоресценции, которая полностью отличается от излучения, вызванного одним ионом, и это свойство очень полезно для генерации белого света. [4]
Среди различных видов полупроводниковых наночастиц коллоидные наночастицы С6Зе наиболее широко исследованы, поскольку их излучение можно легко настроить для охвата широкого спектра (от красного до синего) с уменьшением размера наночастиц. [5].
В представленной работе исследуются релаксации наноструктурных соединений электромеханических наночипов переменного состава С61-хМхЗе. Построены полупроводниковые наночастицы С6Зе, МпЗе, СоЗе,МЗе и БеЗе в кристаллической структуре сфалерита, состоящие из 1000 атомов. Размер их элементарных ячеек составил 5x5x5. Получены значения парных межатомных электромеханических псевдопотенциалов С6Зе, МпЗе, СоЗе, МЗе и БеЗе методом аппроксимирующего квазичастичного функционала плотности.
Цель: Расчёт устойчивости наночастиц С6Зе, легированных 36- металлами.
Объект исследования: Квантовые точки селенида кадмия, легированного марганцем, железом, кобальтом и никелем.
Актуальность темы:
Актуальность данной работы объясняется возможностью модифицировать свойства коллоидных нанокристаллов путём введения в структуру нанокристалла примесей 6 -металлов. Использование квантовых точек в роли биометок имеет большое значение в связи с тем, что модифицированью люминесцентные свойства наночастиц дают возможность получения внутрицентровой неэкситонной люминесценции с большим временем жизни (особенно когда получают люминесценцию в ближним ИК- диапазоне (диапазон наибольшей прозрачности тканей). [6]
Например, полупроводники AIIBVI, легированные ионами таких металлов, как хром, железо и кобальт, благодаря возможности конструирования среднеинфракрасных твердотельных лазеров, которые перенастраиваются в широком диапазоне востребованы для научных, технологических и медицинских целях и являются предметом большого интереса. Также для перенастраиваемых средне-инфракрасных лазеров представляет интерес широкие линии спектров поглощения и испускания ионов группы переходных металлов. [7]
Предмет исследования: Энергия и термодинамическая устойчивость квантовых наноэлектромеханических систем материалов.
Задачи:
1. На основании анализа литературных данных определить современное состояние исследований и выявить актуальные задачи в области разработки магнитных квантовых точек.
2. Вычислить методом аппроксимирующего квазичастичного функционала плотности межатомные потенцилы Cd-Se, Mn-Se, Fe-Se, Co-Se, Ni-Se в наноэлектромеханических системах.
3. Построить компьютерные модели высоковозбужденных аттосекундным импульсом наноэлектромеханических систем селенида кадмия, легированного атомами магнитных 3d - металлов: марганцем, железом, кобальтом и никелем.
4. Методом молекулярной механики рассчитать устойчивость наноэлектромеханических систем селенида кадмия, легированных 3 d - металлами.
5. Методом квантовой нанокинетики изучить релаксационные процессы в наноэлектромеханических системах селенида кадмия, легированных 3 й - металлами при двух температурах при 77 и 298 К.
Фотолюминесценция магнитных квантовых точек размерно-зависима. Более того она обладает чувствительностью к приложенному магнитному полю. Благодаря уникальным свойствам таких квантовых точек их область применения расширяется. Особый интерес вызывают квантовые точки легированные ионами марганца. Такие квантовые точки могут быть использованы в роли компонента биологического агента в комбинированном анализе Люминесценция-МРТ. Еще одним способом применения таких квантовых точек является их использование в качестве покрытия фотоэлектродов солнечных батарей, чтобы повысить их чувствительность. В настоящее время исследуется использования магнитных квантовых точек в нанокомпьютерах, в качестве единиц памяти. [1]
DMS - это простые немагнитные полупроводники, которые легировали ионами магнитного переходного металла, такими как Mn, Cr, Fe, Co, Ni и т. д. DMS применяют в устройствах со спиновой памятью. Они могут быть эффективно использованы в качестве источника инжекции спин- поляризованных носителей в полупроводниках и спиновых вентилях. Среди полупроводников AII-BVI CdSe является одним из преобладающих кандидатов, который демонстрирует оптическую запрещенную зону 1,75 эВ и демонстрирует проводимость n-типа. [2]
Такие свойства создают полупроводниковые наноструктуры, подходящие для нескольких видов применения, от антиотражающих покрытий до бимолекулярных устройств обнаружения и излучения света. [3]
Легирование ионов Мп, М,Со,Ре в материал - хозяин С6Зе действует как состояние ловушки для электронов и дырок и обеспечивает люминесценцию. Однако присутствие двух разных типов ионов одновременно в материале-хозяине приводит к флуоресценции, которая полностью отличается от излучения, вызванного одним ионом, и это свойство очень полезно для генерации белого света. [4]
Среди различных видов полупроводниковых наночастиц коллоидные наночастицы С6Зе наиболее широко исследованы, поскольку их излучение можно легко настроить для охвата широкого спектра (от красного до синего) с уменьшением размера наночастиц. [5].
В представленной работе исследуются релаксации наноструктурных соединений электромеханических наночипов переменного состава С61-хМхЗе. Построены полупроводниковые наночастицы С6Зе, МпЗе, СоЗе,МЗе и БеЗе в кристаллической структуре сфалерита, состоящие из 1000 атомов. Размер их элементарных ячеек составил 5x5x5. Получены значения парных межатомных электромеханических псевдопотенциалов С6Зе, МпЗе, СоЗе, МЗе и БеЗе методом аппроксимирующего квазичастичного функционала плотности.
Цель: Расчёт устойчивости наночастиц С6Зе, легированных 36- металлами.
Объект исследования: Квантовые точки селенида кадмия, легированного марганцем, железом, кобальтом и никелем.
Актуальность темы:
Актуальность данной работы объясняется возможностью модифицировать свойства коллоидных нанокристаллов путём введения в структуру нанокристалла примесей 6 -металлов. Использование квантовых точек в роли биометок имеет большое значение в связи с тем, что модифицированью люминесцентные свойства наночастиц дают возможность получения внутрицентровой неэкситонной люминесценции с большим временем жизни (особенно когда получают люминесценцию в ближним ИК- диапазоне (диапазон наибольшей прозрачности тканей). [6]
Например, полупроводники AIIBVI, легированные ионами таких металлов, как хром, железо и кобальт, благодаря возможности конструирования среднеинфракрасных твердотельных лазеров, которые перенастраиваются в широком диапазоне востребованы для научных, технологических и медицинских целях и являются предметом большого интереса. Также для перенастраиваемых средне-инфракрасных лазеров представляет интерес широкие линии спектров поглощения и испускания ионов группы переходных металлов. [7]
Предмет исследования: Энергия и термодинамическая устойчивость квантовых наноэлектромеханических систем материалов.
Задачи:
1. На основании анализа литературных данных определить современное состояние исследований и выявить актуальные задачи в области разработки магнитных квантовых точек.
2. Вычислить методом аппроксимирующего квазичастичного функционала плотности межатомные потенцилы Cd-Se, Mn-Se, Fe-Se, Co-Se, Ni-Se в наноэлектромеханических системах.
3. Построить компьютерные модели высоковозбужденных аттосекундным импульсом наноэлектромеханических систем селенида кадмия, легированного атомами магнитных 3d - металлов: марганцем, железом, кобальтом и никелем.
4. Методом молекулярной механики рассчитать устойчивость наноэлектромеханических систем селенида кадмия, легированных 3 d - металлами.
5. Методом квантовой нанокинетики изучить релаксационные процессы в наноэлектромеханических системах селенида кадмия, легированных 3 й - металлами при двух температурах при 77 и 298 К.
Нанокристаллические полупроводники СбЗе вызвали огромный интерес в последние годы, в связи с разнообразными свойствами и широким применением в светоизлучающих диодах, лазерах, голографических оптических запоминающих устройствах, фотонных запрещенных кристаллах, сверхбыстрых фотонных переключателях и биомедицинских метках для флюороиммунных анализов, наносенсоров и биологических изображений.
Исследование данного класса полупроводников - актуальная задача, которая отчасти была решена в данной работе. По результатам выполненной работы можно сделать следующие выводы.
1 На основании анализа литературных данных было выявлено, что особую значимость имеют теоретические исследования с помощью методов компьютерного моделирования наноэлектромеханических квантовых точек в условиях экстремального электромагнитного импульсного воздействия.
2 Потенциалы парного взаимодействия атомов СбЗе, МпЗе, БеЗе, СоЗе, МЗе рассчитанные методом аппроксимирующего квазичастичного функционала плотности, свидетельствует о том, что введение легирующего атома дестабилизирует структуру НЭМС. Дестабилизирующий вклад атомов возрастает в ряду Со<Ре<Мп<М.
3 Построены модели НЭМС частиц селенида кадмия в форме куба 5*5*5 элементарных ячеек, отличающиеся магнитными атомами легирующих элементов: марганцем, железом, кобальтом и никелем.
4 Образование непрерывных твердых растворов замещения на подрешетке А11 в наночастицах соединений состава Сб1.х МхЗе достаточно хорошо подчиняется закону Вегарда. Незначительные отклонения от закона Вегарда обусловлены трансформациями второй и третьей координационной сферы в наночастицах при изменении концентрации компонента А11. При х = 0,5 проявляется незначительный нелинейный дестабилизирующий вклад с отрицательным отклонением полной энергии. При х = 0,75 проявляется незначительный нелинейный дестабилизирующий вклад с положительным отклонением полной энергии для всех исследуемых структур.
5 Показано, что образование наноэлектромеханических систем частиц в матрице кристалла сфалерита состава Сй1-хМх8е незначительно изменяет полную энергию и межатомные расстояния. Добавление Мп, Бе, Со или N1 увеличиваюет потенциал молекулы СйЗе. При этом энергия связи изменяется от -275 до -173 кДж/моль в ряду Сй8е-Со8е-Ее8е-Мп8е-№8е. Соответственно в этом ряду увеличивается длина связи от 0,24 до 0,26 нм.
6 Исследование процессов релаксации наноэлектромеханических систем состава Сй1-хМх8е показало, что при криогенных и стандартных температурах упорядочене атомов на дальнем порядке структуры разрушается. Выход на «плато» по энергии сильновозбужденных неравновестных НЭМС происходит за разное время: для криогенных температур - дольше, для стандартной температуры - быстрее, при этом амплитуда изменения энергии системы в процессе флуктуации имеет следующую тенденцию: при температуре 77К амплитуда достигает имеет меньшие значения, чем при температуре 298 К, для всех исследованных структур.
Исследование данного класса полупроводников - актуальная задача, которая отчасти была решена в данной работе. По результатам выполненной работы можно сделать следующие выводы.
1 На основании анализа литературных данных было выявлено, что особую значимость имеют теоретические исследования с помощью методов компьютерного моделирования наноэлектромеханических квантовых точек в условиях экстремального электромагнитного импульсного воздействия.
2 Потенциалы парного взаимодействия атомов СбЗе, МпЗе, БеЗе, СоЗе, МЗе рассчитанные методом аппроксимирующего квазичастичного функционала плотности, свидетельствует о том, что введение легирующего атома дестабилизирует структуру НЭМС. Дестабилизирующий вклад атомов возрастает в ряду Со<Ре<Мп<М.
3 Построены модели НЭМС частиц селенида кадмия в форме куба 5*5*5 элементарных ячеек, отличающиеся магнитными атомами легирующих элементов: марганцем, железом, кобальтом и никелем.
4 Образование непрерывных твердых растворов замещения на подрешетке А11 в наночастицах соединений состава Сб1.х МхЗе достаточно хорошо подчиняется закону Вегарда. Незначительные отклонения от закона Вегарда обусловлены трансформациями второй и третьей координационной сферы в наночастицах при изменении концентрации компонента А11. При х = 0,5 проявляется незначительный нелинейный дестабилизирующий вклад с отрицательным отклонением полной энергии. При х = 0,75 проявляется незначительный нелинейный дестабилизирующий вклад с положительным отклонением полной энергии для всех исследуемых структур.
5 Показано, что образование наноэлектромеханических систем частиц в матрице кристалла сфалерита состава Сй1-хМх8е незначительно изменяет полную энергию и межатомные расстояния. Добавление Мп, Бе, Со или N1 увеличиваюет потенциал молекулы СйЗе. При этом энергия связи изменяется от -275 до -173 кДж/моль в ряду Сй8е-Со8е-Ее8е-Мп8е-№8е. Соответственно в этом ряду увеличивается длина связи от 0,24 до 0,26 нм.
6 Исследование процессов релаксации наноэлектромеханических систем состава Сй1-хМх8е показало, что при криогенных и стандартных температурах упорядочене атомов на дальнем порядке структуры разрушается. Выход на «плато» по энергии сильновозбужденных неравновестных НЭМС происходит за разное время: для криогенных температур - дольше, для стандартной температуры - быстрее, при этом амплитуда изменения энергии системы в процессе флуктуации имеет следующую тенденцию: при температуре 77К амплитуда достигает имеет меньшие значения, чем при температуре 298 К, для всех исследованных структур.