Исследование влияния кадмия на свойства сплавов ZnCdO методом функционала электронной плотности с использованием кластеров Zn₃₆O₃₆

Исследование влияния кадмия на свойства сплавов ZnCdO методом функционала электронной плотности с использованием кластеров Zn₃₆O₃₆

Методом функционала электронной плотности исследовано влияние примеси атомов кадмия на стабильность, электронную структуру и ширину запрещенной зоны фуллереноподобного кластера Zn₃₆₋xCdxO₃₆ с sp²-связями с последующим распространением результатов на твердотельные структуры для изучения влияния импла...

Ausführliche Beschreibung

Gespeichert in:
Bibliographische Detailangaben
Datum:2014
1. Verfasser: Овсянникова, Л.И.
Format: Artikel
Sprache:Russian
Veröffentlicht: Інститут проблем матеріалознавства ім. І.М. Францевича НАН України 2014
Schriftenreihe:Электронная микроскопия и прочность материалов
Online Zugang:http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/114282
Tags: Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
Назва журналу:Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Zitieren:Исследование влияния кадмия на свойства сплавов ZnCdO методом функционала электронной плотности с использованием кластеров Zn₃₆O₃₆ / Л.И. Овсянникова // Электронная микроскопия и прочность материалов: Сб. научн . тр. — К.: ІПМ НАН України, 2014. — Вип. 20. — С. 65-70. — Бібліогр.: 8 назв. — рос.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
id irk-123456789-114282
record_format dspace
spelling irk-123456789-1142822017-03-06T03:02:26Z Исследование влияния кадмия на свойства сплавов ZnCdO методом функционала электронной плотности с использованием кластеров Zn₃₆O₃₆ Овсянникова, Л.И. Методом функционала электронной плотности исследовано влияние примеси атомов кадмия на стабильность, электронную структуру и ширину запрещенной зоны фуллереноподобного кластера Zn₃₆₋xCdxO₃₆ с sp²-связями с последующим распространением результатов на твердотельные структуры для изучения влияния имплантации кадмия в матрицу ZnО на электронную структуру и ширину запрещенной зоны тройных сплавов ZnCdO. Показано, что замещение атомов Zn на атомы Cd в кластере приводит к уменьшению стабильности кластера и монотонному уменьшению энергетической щели с ростом процентного содержания Cd. Достоверность полученных данных подтверждается хорошим совпадением расчетных характеристик с экспериментом: рассчитанная энергия запрещенной зоны (2,827 эВ) для кластера Zn₃₄Cd₂O₃₆ (~6% (aт.) Cd) очень близка к экспериментальной величине запрещенной зоны (2,87 эВ) для пленки Zn0.94Cd0.06O, выращенной магнетронным напылением. В рамках методу функціоналу електронної густини досліждено вплив домішки атомів кадмію на стабільність, електронну структуру та ширину енергетичної щілини фулереноподібного кластера Zn₃₆₋xCdxO₃₆ з sp²-зв’язками з подальшим розповсюдженням результатів на твердотільні структури для вивчення впливу імплантації кадмію в матрицю ZnО на електронну густину і ширину забороненої зони потрійних сплавів ZnCdO. Показано, що заміщення атомів Zn на атоми Cd в кластері приводить до зменшення стабільності кластера і монотонного зменшення енергетичної щілини з ростом процентного вмісту Cd. Отриманий результат підтверджується добрим співпадінням розрахованих характеристик з експериментом: розрахована енергія забороненої зони (2,827 eВ) для кластера Zn₃₄Cd₂O₃₆ (~6% (aт.) Cd) дуже близька до експериментального значення забороненої зони (2,87 еВ) для плівки Zn0.94Cd0.06O, вирощеної магнетронним н апиленням. The structural, cohesive, and electronic properties of a fullerene-like Znn-xCdxOn (n = 36) clusters have been investigated within the framework of the electron density hybride functional method (B3LYP) with a set of 3-21G(d) split valence basis functions. These clusters are used as a model in an investigation of the change in the band-gap width in the case of the substitution of Zn atoms by Cd atoms in the ZnO matrix in ZnCdO ternary structures. The presented investigations showed that a substitution of Zn atom to Cd (5,5, 11, 16,7, 22 и 33% (at.) Cd) leads to reduction of cluster stability and monotonous decrease of energy gap (0,145, 0,259, 0,354, 0,436, 0,586 eV accordingly). It was revealed that the calculated band-gap energy (2,827 eV) for cluster Zn₃₄Cd₂O₃₆ (~6% (at.) Cd) is very close to the experimental value of the band-gap (2,87 eV) for films Zn0.94Cd0.06O grown by rf magnetron sputtering technique. 2014 Article Исследование влияния кадмия на свойства сплавов ZnCdO методом функционала электронной плотности с использованием кластеров Zn₃₆O₃₆ / Л.И. Овсянникова // Электронная микроскопия и прочность материалов: Сб. научн . тр. — К.: ІПМ НАН України, 2014. — Вип. 20. — С. 65-70. — Бібліогр.: 8 назв. — рос. XXXX-0048 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/114282 538.911: 539.219.1 ru Электронная микроскопия и прочность материалов Інститут проблем матеріалознавства ім. І.М. Францевича НАН України
institution Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection DSpace DC
language Russian
description Методом функционала электронной плотности исследовано влияние примеси атомов кадмия на стабильность, электронную структуру и ширину запрещенной зоны фуллереноподобного кластера Zn₃₆₋xCdxO₃₆ с sp²-связями с последующим распространением результатов на твердотельные структуры для изучения влияния имплантации кадмия в матрицу ZnО на электронную структуру и ширину запрещенной зоны тройных сплавов ZnCdO. Показано, что замещение атомов Zn на атомы Cd в кластере приводит к уменьшению стабильности кластера и монотонному уменьшению энергетической щели с ростом процентного содержания Cd. Достоверность полученных данных подтверждается хорошим совпадением расчетных характеристик с экспериментом: рассчитанная энергия запрещенной зоны (2,827 эВ) для кластера Zn₃₄Cd₂O₃₆ (~6% (aт.) Cd) очень близка к экспериментальной величине запрещенной зоны (2,87 эВ) для пленки Zn0.94Cd0.06O, выращенной магнетронным напылением.
format Article
author Овсянникова, Л.И.
spellingShingle Овсянникова, Л.И.
Исследование влияния кадмия на свойства сплавов ZnCdO методом функционала электронной плотности с использованием кластеров Zn₃₆O₃₆
Электронная микроскопия и прочность материалов
author_facet Овсянникова, Л.И.
author_sort Овсянникова, Л.И.
title Исследование влияния кадмия на свойства сплавов ZnCdO методом функционала электронной плотности с использованием кластеров Zn₃₆O₃₆
title_short Исследование влияния кадмия на свойства сплавов ZnCdO методом функционала электронной плотности с использованием кластеров Zn₃₆O₃₆
title_full Исследование влияния кадмия на свойства сплавов ZnCdO методом функционала электронной плотности с использованием кластеров Zn₃₆O₃₆
title_fullStr Исследование влияния кадмия на свойства сплавов ZnCdO методом функционала электронной плотности с использованием кластеров Zn₃₆O₃₆
title_full_unstemmed Исследование влияния кадмия на свойства сплавов ZnCdO методом функционала электронной плотности с использованием кластеров Zn₃₆O₃₆
title_sort исследование влияния кадмия на свойства сплавов zncdo методом функционала электронной плотности с использованием кластеров zn₃₆o₃₆
publisher Інститут проблем матеріалознавства ім. І.М. Францевича НАН України
publishDate 2014
url http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/114282
citation_txt Исследование влияния кадмия на свойства сплавов ZnCdO методом функционала электронной плотности с использованием кластеров Zn₃₆O₃₆ / Л.И. Овсянникова // Электронная микроскопия и прочность материалов: Сб. научн . тр. — К.: ІПМ НАН України, 2014. — Вип. 20. — С. 65-70. — Бібліогр.: 8 назв. — рос.
series Электронная микроскопия и прочность материалов
work_keys_str_mv AT ovsânnikovali issledovanievliâniâkadmiânasvojstvasplavovzncdometodomfunkcionalaélektronnojplotnostisispolʹzovaniemklasterovzn36o36
first_indexed 2025-07-08T07:13:19Z
last_indexed 2025-07-08T07:13:19Z
_version_ 1837061950553456640
fulltext 65 УДК 538.911: 539.219.1 Исследование влияния кадмия на свойства сплавов ZnCdO методом функционала электронной плотности с использованием кластеров Zn36O36 Л. И. Овсянникова Институт проблем материаловедения им. И. Н. Францевича НАН Украины, Киев, e-mail: avilon@ukr.net Методом функционала электронной плотности исследовано влияние примеси атомов кадмия на стабильность, электронную структуру и ширину запрещенной зоны фуллереноподобного кластера Zn36-xCdxO36 с sp2-связями с последующим распространением результатов на твердотельные структуры для изучения влияния имплантации кадмия в матрицу ZnО на электронную структуру и ширину запрещенной зоны тройных сплавов ZnCdO. Показано, что замещение атомов Zn на атомы Cd в кластере приводит к уменьшению стабильности кластера и монотонному уменьшению энергетической щели с ростом процентного содержания Cd. Достоверность полученных данных подтверж- дается хорошим совпадением расчетных характеристик с экспериментом: рассчитанная энергия запрещенной зоны (2,827 эВ) для кластера Zn34Cd2O36 (~6% (aт.) Cd) очень близка к экспериментальной величине запрещенной зоны (2,87 эВ) для пленки Zn0.94Cd0.06O, выращенной магнетронным напылением. Ключевые слова: наноструктуры ZnO, регулируемая запрещенная зона. Введение Несмотря на существенные успехи в технологии синтеза тонких пленок и наноструктур на основе ZnO, контролируемое изменение зонной структуры и внедрение дефектов в эти материалы остается нерешенной до конца задачей [1—3]. Также трудности возникают на этапе диагностики синтезированных образцов особенно в случае образования нанокластеров внутри исследуемого образца. Экспериментальные методы, дополненные теоретическим моделированием и применением средств вычислительной физики, позволяют найти однозначное соответствие между наблюдаемыми экспериментально оптическими, электронными, магнитными свойствами и наноразмерной структурой вещества. Это способствует существенному удешевлению разработки и доведению до производства полупроводни- ковых материалов с новыми эксплуатационными свойствами. Для решения задачи контролируемого изменения зонной структуры наноматериалов на основе ZnO нами проанализирована возможность распространения на твердотельные структуры результатов исследования квантово-химическими методами из первых принципов ширины запре- щенной зоны изолированных атомных кластеров на основе ZnO, имплан- тированных Cd [4, 5]. Были исследованы зависимости электронной структуры фуллерено- и вюртцитоподобных кластеров ZnnOn от количе- ства атомов в кластере и его геометрии. Для эксперимента предложен ряд фуллереноподобных кластеров ZnnOn (n = 12, 36, 48, 60), а также разрабо- тана модель кластера (ZnO)60 со смешанным sp2-sp3-типом связи. Предва- © Л. И. Овсянникова, 2014 66 рительные расчеты показали, что в ряду исследованных фуллереноподоб- ных структур ZnnOn (n = 12, 36, 48, 60) с увеличением размера кластеров должны происходить рост стабильности (энергии когезии) и уменьшение ширины энергетической щели. Оценка влияния кадмия на электронные свойства кластеров Znn-xCdxOn проведена для фуллереноподобных класте- ров Zn24Cd12O36 (33% (ат.) Cd) с sp2-типом связи и Zn48Cd12O60 (20% (ат.) Cd) с алмазоподобной оболочкой со смешанным sp2-sp3-типом связи. Расчеты в рамках метода B3LYP с набором базисных функций 3-21d показали, что имплантирование кадмием привело к уменьшению ширины запрещенной зоны по сравнению со структурами без Cd на 0,58 и 0,2 эВ соответственно. В данной работе исследование влияния добавок атомов кадмия в матрицу ZnО на стабильность, электронную структуру и ширину запрещенной зоны тройных сплавов ZnCdO проведено с использованием модели фуллереноподобного кластера Zn36-xCdxO36 с sp2-связями. Построение модели и методика эксперимента Для выбора базовой структуры для исследования влияния примеси кадмия на электронную структуру и ширину запрещенной зоны тройных сплавов ZnCdO определены структурные, когезионные и электронные свойства фуллереноподобных кластеров ZnnOn (n = 12, 36, 48, 60), предложенных в работе [4]. Расчеты проведены в рамках метода элек- тронной плотности гибридного функционала B3LYP с набором базисных функций 6-31G(d). Расчет подтвердил предварительную оценку [4] роста стабильности (энергии когезии) и уменьшения ширины энергетической щели с увеличением размера кластеров (рис. 1). Данные расчетов для кластеров Zn36O36 и Zn48O48 показали что эти кластеры могут равноценно использоваться в качестве модели для исследования влияния включения Cd в оболочку кластера Znn-xCdxOn на его электронные характеристики. В целях экономии вычислительных ресурсов для исследования влияния примеси кадмия на электронную структуру и ширину запрещенной зоны тройных сплавов ZnCdO выбран фуллереноподобный кластер Zn36O36. Путем замещения атомов цинка атомами кадмия в кластере Zn36O36 сконструированы кластеры: Zn34Cd2O36, Zn32Cd4O36, Zn30Cd6O36, Zn28Cd8O36, Zn24Cd12O36 с содержанием импланти- рованного Cd 5,5; 11; 16,7; 22; 33% (ат.) соответственно (рис. 2). Оптимизированная геометрия, полная энергия и ширина запрещенной зоны кластеров определены в рамках метода электронной плотности гибридного функционала B3LYP с набором базисных функций 3-21G(d). Рис. 1. Зависимости стабильности и ширины энергетической щели Eg Э не рг ия к ог ез ии , э В За пр ещ ен на я зо на , э В 67 кластеров (ZnO)n от количества единиц ZnO: n = 12, 36, 48, 60. 1 2 3 4 5 6 Рис. 2. Оптимизированные геометрии кластеров Zn36O36 (1), Zn34Cd2O36 (2), Zn32Cd4O36 (3), Zn30Cd6O36 (4), Zn28Cd8O36 (5), Zn24Cd12O36 (6). Светлый шарик — Cd, ● — Zn, О. Энергия когезии вычислена как разность между полными энергиями кластера и составляющих его невзаимодействующих атомов без учета энергии нулевых колебаний. При выполнении расчетов использованы комплекс программ GAMESS'09 [6], программы визуализации расчетов ChemCraft і Molekel 5.4 [7]. Результаты эксперимента В результате вычислительного эксперимента оптимизирована геометрия и рассчитана электронная структура исследованных кластеров. Энергетические характеристики (энергия когезии, ширина энергетической щели) кластеров Zn36-xCdxO36 с возрастанием процентного содержания Cd представлены в таблице и на рис. 3. В таблице приведена вели- чина уменьшения ширины энергетической щели под влиянием включения кадмия (разница ширины энергетической щели кластера с включением Cd и без него), в которой нейтрализованы погрешности метода при Энергетические характеристики кластеров Zn36-xCdxO36 Кластер Содержание Cd, % (ат.) Ec, эВ Eg, эВ ∆, эВ Zn36O36 0 470,615 2,972 Zn34Cd2O36 5,5 462,857 2,827 0,145 Zn32Cd4O36 11 453,180 2,713 0,259 Zn30Cd6O36 16,7 444,593 2,618 0,354 Zn28Cd8O36 22 436,017 2,536 0,436 Zn24Cd12O36 33 419,036 2,386 0,586 Примечание: Ec — энергия когезии; Eg — ширина энергетической щели; ∆ — 68 разница ширины энергетической щели кластера с включением Cd и без него. Рис. 3. Зависимости энергии когезии и ширины энергетической щели от процентного содержания Cd в кластере. Рис. 4. Диаграмма молекулярных орбита- лей в диапазоне энергий –14…0 эВ кластеров Zn36O36 (1), Zn34Cd2O36 (2), Zn32Cd4O36 (3), Zn30Cd6O36 (4), Zn28Cd8O36 (5), Zn24Cd12O36 (6). вычислении абсолютных значений ширины энергетической щели. Диаграмма молекулярных орбиталей исследованных кластеров в диапазоне энергий –14...0 эВ представлена на рис. 4. Результаты вычислений для кластеров с содержанием Cd 5,5; 11; 16,7; 22 и 33% (ат.) показали, что замещение атомов Zn атомами Cd приводит к искажению длины связи, валентных углов, перераспределению заряда на ионах и, как следствие, к уменьшению стабильности кластера (уменьшению энергии когезии) с ростом содержания Cd. Также обнаружено монотонное уменьшение ширины запрещенной зоны с увеличением содержания Cd на 0,145; 0,259; 0,354; 0,436; 0,586 эВ соответственно (таблица, рис. 3). В работе [8] исследованы электрические и оптические свойства гетероструктур n-Zn0.94Cd0.06O/p-SiC. Обнаружено, что рассчитанная энергия запрещенной зоны (2,827 эВ) для кластера Zn34Cd2O36 (~6% (aт.) Cd) очень близка к экспериментальной величине запрещенной зоны (2,87 эВ) для пленки Zn0,94Cd0,06O, выращенной магнетронным напылением. Анализ диаграммы молекулярных орбиталей показал, что в более симметричных кластерах Zn36O36 и Zn24Cd12O36 электронный спектр является набором дискретных уровней. Понижение симметрии остальных кластеров приводит к "размыванию" спектра электронов внутри диапазона энергий. Выводы Применение модели фуллереноподобного кластера Zn36-xCdxO36 с sp2-связями актуально при исследовании влияния примеси кадмия в матрицу ZnО на электронную структуру и ширину запрещенной зоны тройных сплавов ZnCdO. Исследование размерной зависимости электронной структуры для кластеров ZnnOn показало, что кластеры Zn36O36 и Zn48O48 могут равноценно использоваться в качестве модели для изучения влияния За пр ещ ен на я зо на , э В Э не рг ия к ог ез ии , э В % (ат.) Cd М О э не рг ия , э В 69 включения Cd в оболочку кластера на его электронные характеристики. Замещение атомов Zn на атомы Cd приводит к уменьшению стабильности и монотонному уменьшению энергетической щели кластеров с ростом процентного содержания Cd. Показано хорошее совпадение расчетных характеристик с экспери- ментом. Представленное исследование и его дальнейшее развитие может быть использовано для направленного синтеза новых перспективных мате- риалов с регулируемой шириной запрещенной зоны на основе ZnO. Расчеты поведены на кластере СКИТ Института кибернетики им. В. М. Глушкова НАНУ (http://icybcluster.org.ua/). 1. Lashkarev G. V. Properties of zinc oxide at low and moderate temperatures / [G. V. Lashkarev, V. A. Karpyna, V. I. Lazorenko et al.] // Low Temp. Phys. — 2011. — 37. — P. 226—234. 2. Zaoui A. Stability and electronic properties of ZnxCd1−xO alloys / [A. Zaoui, M. Zaoui, S. Kacimi et al.] // Mater. Chem. and Phys. — 2010. — 120. — P. 98—103. 3. Shtepliuk I. Enhancement of the ultraviolet luminescence intensity from Cd-doped ZnO films caused by exciton binding / [I. Shtepliuk, G. Lashkarev, O. Khyzhun et al.] // Acta Phys. Pol. A. — 2011. — 120. — P. 914—917. 4. Ovsiannikova L. I. Model and properties of fullerene-like and wurtzite-like ZnO and Zn(Cd)O clusters // Ibid. — 2012. — 122. — P. 1062—1064. 5. Ovsiannikova L. I. Properties of ZnO and Zn(Cd)O fullerene-like clusters with a shell of diamond-like structure with sp2/sp3 bonds // Ibid. — 2013. — 124. — P. 862—864. 6. Schmidt M. W. Gamess from iowa state university / [M. W. Schmidt, K. K. Baldridge, J. A. Boatz et al.] // J. Comput. Chem. — 1993. — 14. — P. 1347—1363. 7. Portmann S. Molekel: An interactive molecular graphics tool / S. Portmann and H.-P. Lüthi // Chimia. — 2000. — 54. — P. 766—770. 8. Shtepliuk I. I. Electrical properties of n-Zn0.94Cd0.06O/p-SiC heterostructures / [I. I. Shtepliuk, V. Khranovskyy, G. Lashkarev et al.] // Solid State Electronics. — 2013. — 81. — P. 72—77. Дослідження впливу домішки кадмія на властивості сплавів ZnCdO методом функціоналу електронної густини з використанням кластерів Zn36O36 Л. І. Овсяннікова В рамках методу функціоналу електронної густини досліждено вплив домішки атомів кадмію на стабільність, електронну структуру та ширину енергетичної щілини фулереноподібного кластера Zn36-xCdxO36 з sp2-зв’язками з подальшим розповсюдженням результатів на твердотільні структури для вивчення впливу імплантації кадмію в матрицю ZnО на електронну густину і ширину забороненої зони потрійних сплавів ZnCdO. Показано, що заміщення атомів Zn на атоми Cd в кластері приводить до зменшення стабільності кластера і монотонного зменшення енергетичної щілини з ростом процентного вмісту Cd. Отриманий результат підтверджується добрим співпадінням розрахованих характеристик з 70 експериментом: розрахована енергія забороненої зони (2,827 eВ) для кластера Zn34Cd2O36 (~6% (aт.) Cd) дуже близька до експериментального значення забороненої зони (2,87 еВ) для плівки Zn0.94Cd0.06O, вирощеної магнетронним напиленням. Ключові слова: наноструктури ZnO, регульована заборонена зона. The investigation of the cadmium effect on properties of alloys ZnCdO by the density functional theory using clusters Zn36-xCdxO36 L. Ovsiannikova The structural, cohesive, and electronic properties of a fullerene-like Znn-xCdxOn (n = 36) clusters have been investigated within the framework of the electron density hybride functional method (B3LYP) with a set of 3-21G(d) split valence basis functions. These clusters are used as a model in an investigation of the change in the band-gap width in the case of the substitution of Zn atoms by Cd atoms in the ZnO matrix in ZnCdO ternary structures. The presented investigations showed that a substitution of Zn atom to Cd (5,5, 11, 16,7, 22 и 33% (at.) Cd) leads to reduction of cluster stability and monotonous decrease of energy gap (0,145, 0,259, 0,354, 0,436, 0,586 eV accordingly). It was revealed that the calculated band-gap energy (2,827 eV) for cluster Zn34Cd2O36 (~6% (at.) Cd) is very close to the experimental value of the band-gap (2,87 eV) for films Zn0.94Cd0.06O grown by rf magnetron sputtering technique. Keywords: nanostructure ZnO, tunable band gap.

Ähnliche Einträge