Взаимодействие водорода и азота с нитридом углерода C₃N₄

Проанализирована электронная структура наночастицы нитрида углерода. Квантовоеханическое моделирование показало, что используемое лазерное излучение не может привести к возбуждению наночастицы. Замена одного из атомов водорода молекулой водорода или азота приводит к появлению свободного энергетиче...

Ausführliche Beschreibung

Gespeichert in:

Bibliographische Detailangaben
Datum:	2009
Hauptverfasser:	Токий, Н.В., Савина, Д.Л.
Format:	Artikel
Sprache:	Russian
Veröffentlicht:	Інститут металофізики ім. Г.В. Курдюмова НАН України 2009
Schriftenreihe:	Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології
Online Zugang:	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/76335
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:	Взаимодействие водорода и азота с нитридом углерода C₃N₄ / Н.В. Токий, Д.Л. Савина // Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології: Зб. наук. пр. — К.: РВВ ІМФ, 2009. — Т. 7, № 1. — С. 29-35. — Бібліогр.: 4 назв. — рос.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	irk-123456789-76335
record_format	dspace
spelling	irk-123456789-763352015-10-29T11:31:02Z Взаимодействие водорода и азота с нитридом углерода C₃N₄ Токий, Н.В. Савина, Д.Л. Проанализирована электронная структура наночастицы нитрида углерода. Квантовоеханическое моделирование показало, что используемое лазерное излучение не может привести к возбуждению наночастицы. Замена одного из атомов водорода молекулой водорода или азота приводит к появлению свободного энергетического уровня в запрещенной зоне вблизи потолка валентной зоны. Показано, что используемое лазерное излучение способно возбудить систему наночастица нитрида углерода плюс молекула. Вычислены энергетические барьеры процесса диссоциации молекул водорода и азота. Полученные результаты позволяют предложить механизм модификации наноструктурных алмазоподобных материалов под влиянием электромагнитного излучения. Проаналізовано електронну структуру наночастинки нітриду вуглецю. Квантовоеханічне моделювання показало, що лазерне випромінення, яке використовується, не може призвести до збудження наночастинки. Заміна одного з атомів водню молекульою водню або азоту призводить до появи вільного енергетичного рівня в забороненій зоні поблизу стелі валентної зони. Показано, що лазерне випромінення, що використовується, здатне збудити систему наночастинка нітриду вуглецю плюс молекуля. Обчислено енергетичні бар’єри процесу дисоціяції молекуль водню та азоту. Одержані результати дозволяють запропонувати механізм модифікації наноструктурних діямантоподібних матеріялів під впливом електромагнетного випромінення. The electronic structure of carbon nitride nanoparticle is analyzed. Quantummechanical modelling shows that used laser radiation cannot lead to nanoparticle excitation. Replacement of a hydrogen atom by a hydrogen molecule or nitrogen molecule results in occurrence of free-energy level in the forbidden gap near to a ceiling of a valence gap. As shown, the used laser radiation is capable to excite system consisting of a carbon nitride nanoparticle and a molecule. Energy barriers of hydrogen and nitrogen molecules dissociation are calculated. The obtained results suggest the mechanism for modification of diamond-like materials’ nanostructure under electromagnetic radiation. 2009 Article Взаимодействие водорода и азота с нитридом углерода C₃N₄ / Н.В. Токий, Д.Л. Савина // Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології: Зб. наук. пр. — К.: РВВ ІМФ, 2009. — Т. 7, № 1. — С. 29-35. — Бібліогр.: 4 назв. — рос. 1816-5230 PACS numbers: 33.10.-n, 33.20.Kf, 71.15.-m, 73.25.+i, 82.20.Wt http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/76335 ru Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології Інститут металофізики ім. Г.В. Курдюмова НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Russian
description	Проанализирована электронная структура наночастицы нитрида углерода. Квантовоеханическое моделирование показало, что используемое лазерное излучение не может привести к возбуждению наночастицы. Замена одного из атомов водорода молекулой водорода или азота приводит к появлению свободного энергетического уровня в запрещенной зоне вблизи потолка валентной зоны. Показано, что используемое лазерное излучение способно возбудить систему наночастица нитрида углерода плюс молекула. Вычислены энергетические барьеры процесса диссоциации молекул водорода и азота. Полученные результаты позволяют предложить механизм модификации наноструктурных алмазоподобных материалов под влиянием электромагнитного излучения.
format	Article
author	Токий, Н.В. Савина, Д.Л.
spellingShingle	Токий, Н.В. Савина, Д.Л. Взаимодействие водорода и азота с нитридом углерода C₃N₄ Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології
author_facet	Токий, Н.В. Савина, Д.Л.
author_sort	Токий, Н.В.
title	Взаимодействие водорода и азота с нитридом углерода C₃N₄
title_short	Взаимодействие водорода и азота с нитридом углерода C₃N₄
title_full	Взаимодействие водорода и азота с нитридом углерода C₃N₄
title_fullStr	Взаимодействие водорода и азота с нитридом углерода C₃N₄
title_full_unstemmed	Взаимодействие водорода и азота с нитридом углерода C₃N₄
title_sort	взаимодействие водорода и азота с нитридом углерода c₃n₄
publisher	Інститут металофізики ім. Г.В. Курдюмова НАН України
publishDate	2009
url	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/76335
citation_txt	Взаимодействие водорода и азота с нитридом углерода C₃N₄ / Н.В. Токий, Д.Л. Савина // Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології: Зб. наук. пр. — К.: РВВ ІМФ, 2009. — Т. 7, № 1. — С. 29-35. — Бібліогр.: 4 назв. — рос.
series	Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології
work_keys_str_mv	AT tokijnv vzaimodejstvievodorodaiazotasnitridomuglerodac3n4 AT savinadl vzaimodejstvievodorodaiazotasnitridomuglerodac3n4
first_indexed	2025-07-06T00:47:36Z
last_indexed	2025-07-06T00:47:36Z
_version_	1836856489299410944
fulltext	29 PACS numbers: 33.10.-n, 33.20.Kf, 71.15.-m, 73.25.+i, 82.20.Wt Взаимодействие водорода и азота с нитридом углерода C3N4 Н. В. Токий, Д. Л. Савина Донецкий физико-технический институт им. А. А. Галкина НАН Украины, ул. Розы Люксембург, 72, 83114 Донецк, Украина Проанализирована электронная структура наночастицы нитрида углеро- да. Квантово-механическое моделирование показало, что используемое лазерное излучение не может привести к возбуждению наночастицы. За- мена одного из атомов водорода молекулой водорода или азота приводит к появлению свободного энергетического уровня в запрещенной зоне вбли- зи потолка валентной зоны. Показано, что используемое лазерное излу- чение способно возбудить систему наночастица нитрида углерода плюс молекула. Вычислены энергетические барьеры процесса диссоциации молекул водорода и азота. Полученные результаты позволяют предло- жить механизм модификации наноструктурных алмазоподобных мате- риалов под влиянием электромагнитного излучения. Проаналізовано електронну структуру наночастинки нітриду вуглецю. Ква- нтово-механічне моделювання показало, що лазерне випромінення, яке ви- користовується, не може призвести до збудження наночастинки. Заміна од- ного з атомів водню молекульою водню або азоту призводить до появи віль- ного енергетичного рівня в забороненій зоні поблизу стелі валентної зони. Показано, що лазерне випромінення, що використовується, здатне збудити систему наночастинка нітриду вуглецю плюс молекуля. Обчислено енерге- тичні бар’єри процесу дисоціяції молекуль водню та азоту. Одержані резуль- тати дозволяють запропонувати механізм модифікації наноструктурних ді- ямантоподібних матеріялів під впливом електромагнетного випромінення. The electronic structure of carbon nitride nanoparticle is analyzed. Quantum- mechanical modelling shows that used laser radiation cannot lead to nanoparti- cle excitation. Replacement of a hydrogen atom by a hydrogen molecule or ni- trogen molecule results in occurrence of free-energy level in the forbidden gap near to a ceiling of a valence gap. As shown, the used laser radiation is capable to excite system consisting of a carbon nitride nanoparticle and a molecule. En- ergy barriers of hydrogen and nitrogen molecules dissociation are calculated. The obtained results suggest the mechanism for modification of diamond-like materials’ nanostructure under electromagnetic radiation. Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології Nanosystems, Nanomaterials, Nanotechnologies 2009, т. 7, № 1, сс. 29—35 © 2009 ІМФ (Інститут металофізики ім. Г. В. Курдюмова НАН України) Надруковано в Україні. Фотокопіювання дозволено тільки відповідно до ліцензії 30 Н. В. ТОКИЙ, Д. Л. САВИНА Ключевые слова: квантово-механическое моделирование, молекула, дис- социация, электронная структура, лазерное излучение. (Получено 28 ноября 2007 г.) 1. ВВЕДЕНИЕ Огромный интерес к экспериментальным и теоретическим исследо- ваниям синтеза и свойств материалов на основе нитрида углерода вызван предсказанием, что низкосжимаемая твердотельная струк- тура β-C3N4 будет иметь объемные модули и твердость, превышаю- щие алмазные. Нитриды углерода с sp 2 или sp 3 связанным углеродом могут находить практическое применение как твердые покрытия, электроды, металлические катализаторы и материалы для хранения водорода. В настоящее время выращивание монокристаллов нитрида углерода достаточно крупных размеров затруднительно. Так как экспериментальные результаты за счет ограниченного качества об- разцов имеют слабое разрешение, трудно точно идентифицировать кристаллические структуры и внутреннее атомное строение. Поэто- му чрезвычайно желательны теоретические вычисления, которые могут предоставить детали атомистической структуры, ее стабиль- ности, и связанные с ними физические свойства. Наши предыдущие работы были посвящены вопросам влияния кислорода [1] и высокого давления [2] на механизмы формирования структур и физические свойства нитрида углерода. В экспериментальных работах [3, 4] была обнаружена модифи- кация наноструктурных алмазоподобных материалов под влияни- ем электромагнитного излучения (532 нм), физический механизм которой не ясен, поскольку при направлении излучения в ростовую C N H Рис. 1. Геометрическая модель наночастица нитрида углерода, покры- тая водородом. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ВОДОРОДА И АЗОТА С НИТРИДОМ УГЛЕРОДА C3N4 31 атмосферу изменение ее состава не наблюдалось. В тоже время на- правление излучения на ростовую поверхность приводило к изме- нению как концентрационного состава атмосферы, так и структуры получаемых пленок. Целью настоящей работы было квантово-механическое модели- рование взаимодействия молекулярного водорода и азота с поверх- ностью нитрида углерода, выяснение влияния возбуждения на энергию диссоциации этих молекул для объяснения наблюдаемых в [3, 4] изменений составов плазмы и рассмотрение вопросов о меха- низмах взаимодействия водорода и азота с поверхностью наноча- стицы (рис. 1). 2. МОЛЕКУЛА ВОДОРОДА НА ПОВЕРХНОСТИ Для вычислений одноэлектронных энергетических уровней нанок- ластера нитрида углерода, покрытого водородом, использовался кластер из 34 атомов, включающий 8 атомов азота, 6 атомов угле- рода и 20 атомов водорода, которые представлены на рис. 1. Хими- ческая формула кластера может быть записана как C6N8H20. Для моделирования была рассмотрена входящая в состав росто- вой атмосферы молекула водорода, энергия диссоциации которой составляет 4,428 эВ = 426,5 кДж/моль = 104,18 ккал/моль. Одно- электронный спектр этой молекулы представлен на рис. 2 (Н2). Для вычислений одноэлектронных энергетических уровней сис- темы наночастицы нитрида углерода, покрытой водородом, с моле- кулой водорода на поверхности использовался кластер из 35 атомов, −20 −15 −10 −5 H 2 C 6 N 8 H 20 C 6 N 8 H 21 h h h E, ýÂ E c E c E e E b E v E v Рис. 2. Одноэлектронные молекулярно-орбитальные энергии молекулы водорода (H2), ячейки нитрида углерода, покрытой водородом (C6N8H20) и ячейки нитрида углерода с молекулой водорода (С6N8H21) (запрещенная зона и ее окрестности). 32 Н. В. ТОКИЙ, Д. Л. САВИНА включающий 8 атомов азота, 6 атомов углерода и 21 атомов водоро- да. Химическая формула кластера может быть записана как C6N8H21. Все вычисления проводились в рамках квантово-механического моделирования с использованием теории сильной связи. В теории sp-связанных систем электронные собственные состоя- ния записываются в виде слагаемых базисного набора, состоящего из одного s-состояния и трех p состояний на каждом атоме азота и углерода наночастицы нитрида углерода. Это 2s- и 2p-волновые атомные функции углерода и азота. Для нахождения собственных функций и собственных значений электронной системы необходи- мо диагонализировать симметричную матрицу Hμν. ( ) 0, 1,2,..., n H E c nμν μν α να ν − δ = α =∑ , где Eα – одноэлектронные собственные значения энергий кластера или ячейки; cνα – одноэлектронные решения уравнений для кла- стера или ячейки; Hμν – матричные элементы между атомными ор- биталями. Водородный атом помещался в направлении следующего узла решетки нитрида углерода на расстоянии 1,06 Å от азота и 1,09 Å от углерода. Мы проанализировали электронную структуру наночастицы нитрида углерода. Основной результат 34 атомного кластерного мо- делирования заключается в том, что начинает появляться «зонная структура», молекулярные орбитали группируются в валентную зону, зону проводимости и запрещенную зону между ними. Одно- электронные молекулярно-орбитальные энергии пластины нитрида углерода, покрытой водородом, показаны на рис. 2 (C6N8H20). Из электронного спектра видно, что используемое в работах [3, 4] ла- зерное излучение не может привести к возбуждению наночастицы. g C Vh E E Eν < = − . Моделирование электронной структуры системы наночастицы нитрида углерода, покрытого атомарным водородом с молекулой водорода на поверхности, представлено на рис. 2 (C6N8H21). В отли- чие от наночастицы C6N8H20, покрытой атомарным водородом, за- мена одного из атомов водорода, связанного с азотом, молекулой водорода приводит к появлению свободного энергетического уровня EM в запрещенной зоне вблизи потолка валентной зоны. Из элек- тронного спектра видно, что используемое в работах [3, 4] лазерное излучение способно возбудить систему наночастица нитрида угле- рода плюс молекула водорода. M Vh E Eν > − . ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ВОДОРОДА И АЗОТА С НИТРИДОМ УГЛЕРОДА C3N4 33 Мы вычислили энергетические барьеры процесса диссоциации молекулы водорода, связанной с поверхностью наночастицы нитри- да углерода, в возбужденном и невозбужденном состояниях системы, и сравнили их с энергией диссоциации молекулы водорода в свобод- ном состоянии. При моделировании процесса диссоциации молеку- лы внешний атом водорода смещался из идеального положения, уве- личивая межъядерное расстояние молекулы. Полная энергия всех занятых одноэлектронных молекулярных орбиталей вычислялась при различном смещении водорода из пер- воначального положения. Оценка полной энергии системы представлена как сумма энер- гий всех занятых одноэлектронных молекулярных орбиталей. ,tot aE n Eα= ∑ где Eα – одноэлектронная энергия α орбитали; nα – число за- полнения α орбиталей. Квантово-механическое моделирование показало, что энергия диссоциации молекулы водорода на поверхности невозбужденной наночастицы нитрида углерода, покрытой атомарным водородом, составила −3,44161 эВ, что значительно меньше энергии диссо- циации свободной молекулы. При возбуждении системы наноча- стица нитрида углерода с молекулой водорода энергия диссоциа- ции снижается до −2,74449 эВ. 3. МОЛЕКУЛА АЗОТА НА ПОВЕРХНОСТИ Для вычислений одноэлектронных энергетических уровней системы наночастицы нитрида углерода, покрытой водородом с молекулой азота на поверхности, использовался кластер из 34 атомов, вклю- чающий 9 атомов азота, 6 атомов углерода и 19 атомов водорода. Хи- мическая формула кластера может быть записана как C6N9H19. Моделирование электронной структуры системы наночастицы нитрида углерода, покрытого атомарным водородом с молекулой азота на поверхности, представлено на рис. 3 (C6N9H19). В отличие от наночастицы C6N8H20, покрытой атомарным водородом, молекула азота, также как и молекула водорода, приводит к появлению энер- гетических уровней в запрещенной зоне вблизи потолка валентной зоны. Из электронного спектра видно, что используемое в работах [3, 4] лазерное излучение способно возбудить систему наночастица нит- рида углерода плюс молекула азота. Оценка полной энергии системы, как и в предыдущем разделе, представлена суммой энергий всех занятых одноэлектронных мо- лекулярных орбиталей. Квантово-механическое моделирование показало, что энергия диссоциации молекулы азота на поверхности наночастицы нитрида 34 Н. В. ТОКИЙ, Д. Л. САВИНА углерода, покрытой атомарным водородом, составила 6,74718 эВ, что значительно меньше энергии диссоциации свободной молекулы 9,43 эВ. 4. ВЫВОДЫ Квантово-механическое моделирование показало, что при исполь- зуемом лазерном облучении энергии фотонов не достаточно для диссоциации молекул водорода и азота в атмосфере роста. Энергии фотонов не достаточно так же для возбуждения элек- тронной подсистемы наночастиц нитрида углерода, покрытых ато- марным водородом, поскольку она значительно меньше ширины запрещенной зоны. Показано, что при осаждении молекул водорода или азота на на- ночастицу нитрида углерода электронный спектр возникшей сис- темы частица нитрида плюс молекула водорода или азота приводит к появлению свободного уровня в запрещенной зоне вблизи потолка валентной зоны, что позволяет при использовании лазерного излу- чения возбудить эту систему. Рассчитаны энергии диссоциации молекул водорода и азота в не- возбужденном и возбужденном состоянии системы. Установлено, что энергия диссоциации молекул водорода и азота на поверхности нитрида углерода ниже, чем в газообразном состоянии. На возбужденной поверхности наночастицы энергия диссоциа- ции молекул еще меньше. Это позволяет объяснить изменение со- става ростовой атмосферы (увеличение концентрации атомарных водорода и азота), что увеличивает способность атмосферы к трав- лению графитоподобной фазы при облучении ростовой поверхно- −40 −30 −20 −10 N 2 C 6 N 8 H 20 C 6 N 9 H 19 E, ýÂ 0 Рис. 3. Одноэлектронные молекулярно-орбитальные энергии молекулы азота (N2), наночастицы нитрида углерода, покрытой водородом (С6N8H20) и наночастицы нитрида углерода, покрытой водородом с молекулой азота на поверхности (C6N9H19). ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ВОДОРОДА И АЗОТА С НИТРИДОМ УГЛЕРОДА C3N4 35 сти, в отличие от прямого облучения атмосферы, при котором энер- гии фотонов не достаточно для образования атомарного водорода. Полученные результаты позволяют предложить механизм модифи- кации наноструктурных алмазоподобных материалов под влияни- ем электромагнитного излучения. Эти результаты также необходи- мо учитывать в теории дистанционного электромагнитного монито- ринга и зондирования атмосферы. ЦИТИРОВАННАЯ ЛИТЕРАТУРА 1. N. Tokiy and D. Savina, Materials of the International Meeting on Clusters and Nanostructured Materials (Uzhgorod: 2006), p. 273. 2. Н. В. Токий, Д. Л. Савина, Высокие давления (Судак: 2006), с. 60. 3. V. N. Varyukhin, R. V. Shalaev, Seong-Cho Yu, A. N. Ulyanov, and A. M. Prudnikov, Jpn. J. Appl. Phys., 41: 1393 (2002). 4. Р. В. Шалаев, А. М. Прудников, А. Н. Ульянов, В. Н. Варюхин, Харь- ковская нанотехнологическая ассамблея, 1: 70 (2007).

Взаимодействие водорода и азота с нитридом углерода C₃N₄

Institution

Ähnliche Einträge