Исследование устойчивости и зарядовых состояний вакансии в димеризованном кластере Si29 - Метод Монте Карло в химическом моделировании

Несмотря на многочисленные исследования в области моделирования наночастиц кремния, проблеме наличия и устойчивости вакансии в наночастицах кремния уделяется сравнительно мало внимания. Это связано с трудностью экспериментальной идентификации такого рода дефекта в наночастицах, которую трудно отделить от неупорядоченности в структуре или например, от наличия крупных и мелких пор в пористом кремнии. Мы исследовали устойчивость вакансии как в чистых кластерах Si29D и Si38, так и в гидрогенизированном кластере Si29Н24. Вакансию мы стимулировали путем удаления центрального атома из кластера Si29D и затем провели молекулярно-динамическую оптимизацию геометрии кластера с применением ДТВМ потенциала.

Полученные результаты показывают, что вакансия в чистом кластере Si29D является нестабильной и он претерпевает коллапс в результате сдвига атомов кластера. При этом, кластер приобретает сдавленную удлиненную форму, где неупорядоченность структуры кластера возрастает.

Однако, оптимизация геометрии однократно положительно заряженного кластера Si29D, содержащего вакансию в центре, приводит к образованию полого кластера Si28, с диаметром 7,04 А. Построенные графики плотности состояний вакансии в димеризованном Si29D (рис. 3.1) показывают, что распределение энергетических состояний в вакансии в нейтральном димеризованном Si29D совпадает с графиком плотности состояний для чистого димеризованного Si29D, приведенного на рис. 3.2., а, соответствующий вакансии в положительно заряженном Si29D свидетельствует о делокализации электронов на ВЗМО и металлическом характере проводимости.

полый кластер si28+, образованный в результате образования вакансии в положительно заряженном кластере si29d

Рис. 3.1. Полый кластер Si28+, образованный в результате образования вакансии в положительно заряженном кластере Si29D.

распределение плотности энергетических состояний кластера si29d с вакансией. пунктиром показан взмо

Рис. 3.2. Распределение плотности энергетических состояний кластера Si29D с вакансией. Пунктиром показан ВЗМО.

Исследования устойчивости нейтральной вакансии в поверхностно-димеризованном кластере Si29H24 показали существенное уменьшение диаметра всего кластера, вызванное наличием вакансии. При этом, четыре атома кремния - первые соседи вакансии, имеющие вначале симметричное расположение, соответствующий тетраэдрической точечной группе симметрии, подвергаются искажению типа Яна-Теллера от первоначального положения, где три атома сближаются, тогда как один из атомов Si удаляется (рис. 3.3). Симметрия центральной части кластера переходит из группы симметрии Td в C3v. При этом, расстояние между тремя атомами становится равным 3,19 А (в идеальном 3,75 А), между удаленным атомом и одним из трех сближенных атомов, равным 4,12 А.

Заряды атомов кластера при наличии вакансии распределяются так, что все атомы кремния приобретают устойчивый отрицательный заряд, который происходит за счет оттока электронов от атомов водорода к кластеру. Как видно из табл. 3.1, распределение зарядов по координационным сферам кластера, изменяется незначительно относительно кластера без вакансии.

Таблица 3.1. - Результаты по вакансии в кластере Si29H24.

Кластер

Полная энергия, эВ

Сдвиг первых соседей, Е

Заряды на координационных сферах кластеров

Центральный атом

1-сфера

2-сфера

3-сфера

Атомы водорода

Димер. Si29Н24

-181,3862

0,20

-0,13

-0,14

0,00

0,05

Вакансия нейтр.

-173.4792

C3v

    3x(-0,56) 1x(+0,37)

-

-0.08

-0.08

-0.01

0.05

Из рис. 3.4 видно, что атомы кремния первой координационной сферы с болтающимися орбиталями не имеют существенного вклада в области щели между ВЗМО и НСМО. По-видимому, это связано со сближением трех атомов и образованием между ними слабой ковалентной связи, тогда как четвертый атом "всплывает" на поверхность, приобретая то же расстояние от центра кластера.

структура вакансии в димеризованном кластере si29h24

Рис. 3.3. Структура вакансии в димеризованном кластере Si29H24.

Атомы кремния - первые соседи вакансии показаны отличными от окружающих атомов Si цветом (голубые - атомы, сдвинутые друг к другу, красный - удаленный атом).

распределение плотности энергетических состояний кластера si29н24 с нейтральной вакансией

Рис. 3.4. Распределение плотности энергетических состояний кластера Si29Н24 с нейтральной вакансией.

Сплошная линия - интегральная плотность, прерывистая с треугольниками - вклад атомов Si - первых соседей вакансии, прерывистая с четырехугольниками - остальные атомы кремния и пунктирная линия соответствует атомам водорода. Вертикальным пунктиром показан ВЗМО.

Похожие статьи




Исследование устойчивости и зарядовых состояний вакансии в димеризованном кластере Si29 - Метод Монте Карло в химическом моделировании

Предыдущая | Следующая