ҚАЗАҚСТАН РЕСПУБЛИКАСЫ БІЛІМ ЖӘНЕ ҒЫЛЫМ МИНИСТРЛІГІ Л.Н. ГУМИЛЕВ АТЫНДАҒЫ ЕУРАЗИЯ ҰЛТТЫҚ УНИВЕРСИТЕТІ
Студенттер мен жас ғалымдардың
«Ғылым және білім - 2014»
атты IX Халықаралық ғылыми конференциясының БАЯНДАМАЛАР ЖИНАҒЫ
СБОРНИК МАТЕРИАЛОВ
IX Международной научной конференции студентов и молодых ученых
«Наука и образование - 2014»
PROCEEDINGS
of the IX International Scientific Conference for students and young scholars
«Science and education - 2014»
2014 жыл 11 сәуір
Астана
УДК 001(063) ББК 72
Ғ 96
Ғ 96
«Ғылым және білім – 2014» атты студенттер мен жас ғалымдардың ІХ Халықаралық ғылыми конференциясы = ІХ Международная научная конференция студентов и молодых ученых «Наука и образование - 2014» = The IX International Scientific Conference for students and young scholars «Science and education - 2014».
– Астана: http://www.enu.kz/ru/nauka/nauka-i-obrazovanie/, 2014. – 5830 стр.
(қазақша, орысша, ағылшынша).
ISBN 978-9965-31-610-4
Жинаққа студенттердің, магистранттардың, докторанттардың және жас ғалымдардың жаратылыстану-техникалық және гуманитарлық ғылымдардың өзекті мәселелері бойынша баяндамалары енгізілген.
The proceedings are the papers of students, undergraduates, doctoral students and young researchers on topical issues of natural and technical sciences and humanities.
В сборник вошли доклады студентов, магистрантов, докторантов и молодых ученых по актуальным вопросам естественно-технических и гуманитарных наук.
УДК 001(063) ББК 72
ISBN 978-9965-31-610-4 © Л.Н. Гумилев атындағы Еуразия ұлттық
университеті, 2014
3247
соответствующее УС. Показано, что данные исследования описывают ускоренное расширение Вселенной.
Список использованных источников:
1. Jamil M., Momeni D., Myrzakulov R. Wormholes in a viable F(T) gravity// European Physical Journal C.-2013.-Vol.72-P.2267.
2. Sharif M., Shamaila Rani. F(T) Models within Bianchi Type I Universe //Modern Physics Letters A. - 2011. - Vol. 26, №22, - P. 1657. DOI: 10.1142/S0217732311036127.
3. Singh T., Chaubey R. Bianchi Type I Universe with wet dark fluid// Pramana-journal of physics. Indian Academy of Sciences.-2008.-Vol.71, №3, - PP. 447-458.
УДК 538.958
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ВЛИЯНИЯ ИОНОВ ПОВЕРХНОСТИ S2- И SH- НА ОБРАЗОВАНИЕ ЛОКАЛИЗОВАННЫХ СОСТОЯНИЙ В НАНОРАЗМЕРНЫХ
КЛАСТЕРАХ CdS
Джайсанбаева Айгерим Советовна [email protected]
Магистрант 1 курса физика - технического факультета специальности физика образование группы МФЗБ-13, ЕНУ им. Л.Н.Гумилева, Астана, Казахстан
Научный руководитель – А.Алдонгаров
Полупроводниковые и металлические наночастицы находятся в центре внимания научных исследований, их особенность заключается в том, что их размер определяет электронные и оптические свойства[1,2]. При размере частиц меньше 10 нм физические свойства вещества определяются квантово-механическими эффектами. Поэтому, эти свойства кардинально отличаются от свойств макроскопического вещества.
Пространственное ограничение частицы уменьшает длину волны де Бройля электрона. Этот эффект называется квантовым конфайнментом или квантово размерным эффектом, который описан квантово-механической задачей о частице в ящике. На этом основывается приближение эффективных масс, которое используется для описания электронной структуры наночастиц [3-7]. Второй эффект, который важен для малых наночатсиц, это влияние поверхности. При относительно большом отношении площади поверхности к общему объему частицы, квантовые точки становятся подвержены значительному влиянию неидеально пассивированных поверхностей, что приводит к образованию локализованных состояний. Такие локализованные состояния приводят к нежелательным последствиям, таким как рекомбинирование носителей заряда понижая квантовый выход свечения наноразмерных полупроводниковых кристаллов. Поэтому оптические процессы в квантовых точках (КТ) сильно зависят от структуры поверхности [8, 9].
1.1 Влияние ионов поверхности S2- на образование локализованных состояний Одним из уникальных свойств наноразмерных кристаллов является значительное влияние атомов поверхности на оптические свойства, так как отношение числа атомов поверхности к числу внутренних атомов довольно велико. Поэтому очень важно уделить внимание вопросу пассивирования поверхности при моделировании кластеров КТ.
Различные авторы предлагали различные стратегии для учета пассивирования поверхности в теоретических моделях [10-13]. Все эти данные показывают, что оборванные связи атомов поверхности приводят к образованию локализованных состояний внутри запрещенной зоны, т.е. понижают уровень нижайшей свободной молекулярной орбитали (НСМО).
Следует заметить, что существуют расхождения в интерпретации опубликованных экспериментальных данных. Так, например, некоторые авторы предполагают, что SH¯
группы на поверхности наночастиц CdS образуют локализованные состояния, которые тушат фундаментальное поглощение и способствуют появлению малоинтенсивного
3248
длинноволнового свечения [14-17], в то же время другие авторы основываясь на экспериментальных и теоретических [10, 11, 21] результатах предположили, что атомы кадмия поверхности с ненасыщенными связями (непассивированные) ответственны за формирование глубоких локализованных состояний и соответствующего красного свечения.
Все эти примеры указывают на необходимость исследования вопроса влияния ионов поверхности S2- на энергетический спектр наноразмерных кристаллов сульфида кадмия.
Рисунок 5 – Структура кластеров [Cd4S2]4+, [Cd4S5]2-, [Cd4S9]10- и [Cd4S13]18-
Для рассмотрения влияния ионов S2- на электронный спектр поглощения сульфида кадмия был использован кластер [Cd4S1]6+ к которому добавлялись постепенно ионы S2-, которые координировали с ионами Cd2+ расположенными на поверхности. Таким образом, расчеты были проведены для следующих кластеров вюрцитовой структуры: [Cd4S2]4+, [Cd4S5]2-, [Cd4S9]10- и [Cd4S13]18- в соответствии с Рисунком 5.
На рисунке 6 представлены расчитанные спектры поглощения кластеров [Cd4S2]4+, [Cd4S5]2-, [Cd4S9]10- и [Cd4S13]18-, а в таблице 2 обобщены данные по этим спектрам. В этой таблице λ1 представляет самый низкоэнергетический переход в рассчитанном спектре, в то время как λint – самый низкоэнергетический интенсивный переход и 𝑓(λint) – соответствующая сила осциллятора интенсивного перехода.
Рисунок 6 – Рассчитанные электронные спектры комплексов [Cd4S2]4+, [Cd4S5]2-, [Cd4S9]10- и [Cd4S13]18-
Таблица 2 – Величины λ1 и λint для комплексов [Cd4S2]4+, [Cd4S5]2-, [Cd4S9]10- и [Cd4S13]18- Кластеры λ1, нм (эВ) λint, нм (эВ) Сила осциллятора
3249
𝑓(λint) [Cd4S2]4+ 4265,76 (0,2906) 867,74 (1,4288) 0,1275 [Cd4S5]2+ 1258,56 (0,9851) 380,72 (3,2565) 0,2284 [Cd4S9]10+ 1030,93 (1,2026) 646,31 (1,9183) 0,1688 [Cd4S13]18+ 408,10 (3,0381) 378,47 (3,2760) 2*0,0791
Как видно из рисунка 6 и таблицы 2 кластеры [Cd4S2]4+, [Cd4S5]2-, [Cd4S9]10- демонстрируют наличие длинноволновых переходов (энергия перехода менее 2,4 эВ, которая соответствует ширине запрещенной зоны большого кристалла CdS) малой интенсивности, что является явным признаком глубоко лежащих внутри запрещенной зоны локализованных состояний. Следует иметь ввиду, что расчеты для самого кластер [Cd4S1]6+ не демонстрируют наличие каких-либо глубоколежащих состояний внутри запрещенной зоны. Можно также заметить, что последовательное добавление ионов S2- к ионам поверхности Cd2+
(постепенный переход от комплекса [Cd4S2]4+ к комплексу [Cd4S13]18-) приводит к сдвигу величины λ1 в коротковолновую область. В результате для комплекса [Cd4S13]18- длинноволновых переходов не наблюдается, а малое энергетическое расстояние между λ1 и λint (около 0,2 эВ) указывает на отсутствие глубоко лежащих локализованных состояний.
Таким образом, можно сделать вывод, что в случае кластера [Cd4S13]18- ионы S2- неплохо пассивируют поверхность кластера. Полученные результаты позволяют сделать вывод о том, что добавление ионов S2- к ненасыщенным связями ионам Cd2+ может привести к образованию локализованных состояний, а полное насыщение поверхности наноразмерных кластеров CdS ионами S2- способствует полному устранению глубоко лежащих локализованных состояний в запрещенной зоне. Анализ расположения граничных молекулярных орбиталей указывает на увеличение плотности расположения среди граничных занятых молекулярных орбиталей (МО) и среди граничных свободных МО при добавлении ионов S2-. Это может объяснять постепенное снижение числа глубоких локализованных состояний с увеличением числа ионов S2- поверхности КТ CdS.
1.2 Влияние ионов поверхности SH- на образование локализованных состояний
Рисунок 7 – Структуры кластеров [Cd4S1(SH)1]5+, [Cd4S1(SH)4]2+, [Cd4S1(SH)8]2- и [Cd4S1(SH)12]6-
Другой примесью поверхности КТ CdS может служить SH- группа, которая может приводить к хорошему пассивированию поверхности [10, 11]. Для рассмотрения влияния ионной группы SH- на энергетический спектр нанокристаллов CdS было также рассмотрено постепенное добавление SH- к комплексу [Cd4S1]6+, таким образом, расчет электронных спектров был проведен для кластеров [Cd4S1(SH)1]5+, [Cd4S1(SH)4]2+, [Cd4S1(SH)8]2- и [Cd4S1(SH)12]6- изображенных на Рисунке 7. Геометрические параметры для SH- групп были взяты из опубликованных экспериментальных данных [29] для КТ CdS
3250
Таблица 3 – Величины λ1 и λint для кластеров [Cd4S1(SH)1]5+, [Cd4S1(SH)4]2+, [Cd4S1(SH)8]2- и [Cd4S1(SH)12]6-
Кластеры λ1, нм (эВ) λint , нм (эВ) Сила осциллятора 𝑓(λint) [Cd4S1(SH)1]5+ 4819,17 (0,2573) 247,86 (5,0023) 0,1968 [Cd4S1(SH)4]2+ 572,80 (2,1645) 344,56 (3,5984) 0,1316 [Cd4S1(SH)8]2- 359,49 (3,4489) 285,58 (4,3416) 0,1079 [Cd4S1(SH)12]6- 204,98 (6,0487) 200,23 (6,1920) 2*0,1380
На рисунке 8 представлены рассчитанные спектры поглощения комплексов [Cd4S1(SH)1]5+, [Cd4S1(SH)4]2+, [Cd4S1(SH)8]2- и [Cd4S1(SH)12]6-, а в таблице 3 данные о λ1 и λint
для этих же комплексов.
Рисунок 8 - Рассчитанные электронные спектры кластеров [Cd4S1(SH)1]5+, [Cd4S1(SH)4]2+, [Cd4S1(SH)8]2- и [Cd4S1(SH)12]6-
Как показывают данные таблицы 3 и рисунка 8 кластеры [Cd4S1(SH)1]5+ и [Cd4S1(SH)4]2+
демонстрируют наличие длинноволновых переходов, что является явным признаком глубоколежащих локализованных состояний. Для кластера [Cd4S1(SH)8]2- таких переходов не наблюдается, однако заметное расстояние между λ1 и λint (около 0,9 эВ) указывает на наличие глубоколежащих локализованных состояний. Дальнейшее добавление SH- групп, т.е. переход от кластера [Cd4S1(SH)8]2- к [Cd4S1(SH)12]6-, приводит к полному устранению глубоколежащих локализованных состояний, так как энергетический зазор между λ1 и λint
составляет всего 0,15 эВ. Полученные данные указывают на то, что присутствие SH- групп на поверхности КТ CdS может приводить к формированию локализованных состояний, что может приводить к тушению фундаментального свечения. При этом полное насыщение поверхности ионными группами SH- может приводить к устранению глубоколежащих локализованных состояний. Определение энергий граничных МО показывает, что добавление ионных групп SH- к поверхности рассмотренных кластеров сульфида кадмия приводит к увеличению плотности расположения среди занятых граничных МО и среди свободных граничных МО. Данное обстоятельство также указывает на снижение числа глубоких состояний в запрещенной зоне.
Список использованных источников
1 Yoffe A.D. Semiconductor quantum dots and related systems: Electronic, optical, luminescence and related properties of low dimensional systems // Adv. Phys. – 2001. – Vol. 50. – P. 1-208.
2 Schmid G. Ed. Nanoparticles. From Theory to Application. – Weinheim: Wiley-VCH, 2004.
– 434 p.
3251
3 Brus L. E. A simple model for the ionization potential, electron affinity, and aqueous redox potentials of small semiconductor crystallites // J. Chem. Phys. – 1983. - Vol. 79. – P. 5566-5571.
4 Brus L. E. Electron–electron and electron-hole interactions in small semiconductor crystallites: The size dependence of the lowest excited electronic state // J. Chem. Phys. – 1984. – Vol. 80. – P. 4403-4410.
5 Henglein A. Electrochemistry II / Steckhan E. Ed. Topics in Current Chemistry. - Berlin/Heidelberg: Springer, 1988. - Vol. 143. – P. 113-180.
6 Ekimov A. I., Efros A. L., Ivanov M. G., Onushchenko A. A., Shumilov S. K. Donor-like exciton in zero-dimension semiconductor structures // Solid State Commun. – 1989. – Vol. 69. – P.
565-568.
7 Yoffe A. D. Low-dimensional systems: Quantum size effects and electronic properties of semiconductor microcrystallites (zero-dimensional systems) and some quasi-two-dimensional systems // Adv. Phys. – 2002. – Vol. 51. – P. 799-890.
8 Alivisatos A. Perspectives on the Physical Chemistry of Semiconductor Nanocrystals // J.
Phys. Chem. – 1996. – Vol. 100. – P. 13226-13239.
9 Eychmüller A. Structure and Photophysics of Semiconductor Nanocrystals // J. Phys. Chem.
B. – 2000. – Vol. 104. – P. 6514-6528.
10 Joswig J.-O., Seifert G., Niehaus T., Springborg, M. Optical Properties of Cadmium Sulfide Clusters // J. Phys. Chem. B – 2003. – Vol. 107. – P. 2897-2902.
11 Frenzel, J., Joswig, J.-O., Seifert, G. Optical Excitations in Cadmium Sulfide Nanoparticles // J. Phys. Chem. C. – 2007. – Vol. 111. – P. 10761-10770.
12 Huang X., Lindgren E., Chelikowsky J.R. Role of Backbone Charge Rearrangement in the Bond-Dipole and Work Function of Molecular Monolayers // Phys. Rev. B. – 2005. – Vol. 71. – P.
165328(1-6)
13 Wang L.W., Li J. Investigation of pure and Co2+-doped ZnO quantum dot electronic structures using the density functional theory: choosing the right functional // Phys. Rev. B. – 2004.
– Vol. 69. – P. 153302(1-4)
14 Spanhel L., Haase M., Weller H., Henglein A. Photochemistry of colloidal semiconductors. Surface modification and stability of strong luminescing CdS particles // J. Am.
Chem. Soc. – 1987. – Vol. 109. – P. 5649-5655.
15 Resch U., Eychmüller A., Haase M., Weller H. Absorption and fluorescence behaviour of redispersible cadmium sulfide colloids in various organic solvents // Langmuir. – 1992. – Vol. 8. – P. 2215-2218.
16 Li X., Coffer J.L. Effect of Pressure on the Photoluminescence of Polynucleotide- Stabilized Cadmium Sulfide Nanocrystals // Chem. Mater. – 1999. – Vol. 11. – P. 2326-2330.
17 Wang W.-C., Moffitt M.G. Surface-Tunable Photoluminescence from Block Copolymer- Stabilized Cadmium Sulfide Quantum Dots // Langmuir. – 2004. – Vol. 20. – P. 11784-11796.
18 Fujiwara H., Hosokawa H., Murakoshi K., Wada Y., Yanagida Sh., Okada T., Kobayashi H. Effect of Surface Structures on Photocatalytic CO2 Reduction Using Quantized CdS Nanocrystallites // J. Phys. Chem. B. – 1997. – Vol. 101. – P. 8270-8278.
19 Isarov A.V., Chrysochoos J. Optical and Photochemical Properties of Nonstoichiometric Cadmium Sulfide Nanoparticles: Surface Modification with Copper(II) Ions // Langmuir – 1997. – Vol. 13. – P. 3142-3149.
20 Jang E., Jun Sh., Chung Y., Pu L. Surface Treatment to Enhance the Quantum Efficiency of Semiconductor Nanocrystals // J. Phys. Chem. B. – 2004. – Vol. 108. – P. 4597-4600.
21 Fang Y.M., Sun J.J., Wu A.H., Su X.L., Chen G.N. Catalytic Electrogenerated Chemiluminescence and Nitrate Reduction at CdS Nanotubes Modified Glassy Carbon Electrode //
Langmuir – 2009. – Vol. 25. – P. 555-560.
22 Wu J.-Ch., Zheng J., Wu P., Xu R. Study of Native Defects and Transition-Metal (Mn, Fe, Co, and Ni) Doping in a Zinc-Blende CdS Photocatalyst by DFT and Hybrid DFT Calculations // J.
Phys. Chem. C. – 2011. – 115. – P. 5675-5682.