Влияние вакансии на структурные параметры и энергетические характеристики кластеров кремния Si38 и Si38H30 - Метод Монте Карло в химическом моделировании

Для определения влиянии вакансии на структурную перестройку кластера рассчитаны равновесные геометрии и энергетические параметры следующих кластеров: димеризованный кластер Si38 без вакансии; три зарядовых состояния (0,+,) кластера Si37с вакансиейв центре, образованного из кластера Si38 удалением одного из центральных атомов.

МД-оптимизированные структуры кластера Si38 с вакансией в центре в разных зарядовых состояниях показаны на рисунке 3.5., а в таблице 3.2 приведены энергии атомизации и величины ВЗМО-НСМО щели.

Как видно из рисунка 3.5., структура кластера при образовании вакансии сохраняет тетраэдрическую симметрию, однако объем кластеров с вакансией Si37+V0и Si37+V несколько уменьшается за счет уменьшения длин Si-Si связей между поверхностными атомами. Количество возможных конфигураций этих кластеров, содержащих вакансию в центре, равно количеству гексагональных положений вокруг тетраэдрического центра, т. е. 6.

Таблица 3.2. Рассчитанные характеристики чистого кластера Si38 с вакансией в разных зарядовых состояниях.

Кластер

Энергия атомизации на один атом, эВ

ВЗМО-НСМО щель, эВ

Si38

4,2470

0,1553

Si37+V0

4,1657

0,3021

Si37+V

4,1682

0,2174

Si37+V+

4,1411

0,0762

С удалением одного атома кремния из кластера Si38 энергия атомизации уменьшается незначительно, наиболее стабильным является отрицательно заряженный кластер с вакансией в центре. Величина ВЗМО-НСМО щели увеличивается в 2 раза для Si37+V0 , а для Si37+V+ уменьшается в 2 раза.

Анализ составляющих энергии атомизации (таблица 3.3) показывает, что при наличии вакансии вклад ион-ионного взаимодействия резко увеличивается для положительно заряженных состояний. Соответственно ослабляется связь между атомами ядра кластера и поверхностными атомами. Так как во всех случаях сохраняется положительная заряженность поверхности кластера, можно предположить, что это происходит за счет изменения электронных плотностей внутри кластеров.

Таблица 3.3. Составляющие энергии атомизации кластеров без вакансии и с вакансией.

Димеризованный кластер

Энергия атомизации

Энергия атомизации на атом

Атом-атом взаимодействие

Энергия связи

Ион-ион взаимодействие

Si38

161,38691

4,247024

48,236992

-286,53874

0,905753

Si38

165.307103

4.313608

48.543780

-287.18701

0.906255

Si38+

154.770686

4.287431

47.999266

-286.43265

2.996185

Si37+V0,

154.132223

4.165736

47.206261

-280.55690

0.775544

Si37+V

154.224870

4.168240

46.076948

-277.15539

0.311038

Si37+V+

153,221926

4,141133

44,027943

-273,06523

2,899823

Исследование пассивированных водородом кластеров при наличии вакансии показывает, что полная пассивация водородом оборванных связей на поверхности также стабилизирует (замораживает) структуру алмазоподобных кластеров. На рисунке 3.5 сравнительно показаны структуры и энергии атомизации исследованных кластеров. Как видно из рисунка 3.5, нейтральный, пассивированный водородом, кластер Si38, содержащий вакансию, намного стабильнее кластера без вакансии, причем разница составляет 46.55 эВ. В случае катиона (Si37+V+)H30 объем кластера увеличился примерно на 10% и центральный атом сместился в сторону вакансии с образованием связи с периферийным атомом кремния.

В таблице 3.4 приведены величины энергии атомизации и ВЗМО-НСМО щели для пассивированных кластеров. Как видно, в целом пассивация водородом кластеров, содержащих вакансию, приводит к уменьшению энергии атомизации, однако величина щели меняется нерегулярно. Наибольшая величина ВЗМО-НСМО щели наблюдается для отрицательно заряженного кластера.

Si38H30

(235.428415эВ)
    (Si37+V0)H30 (281.984417эВ)
    (Si37+V-)H30 (233.356727эВ)

(Si37+V+)H30

(224.704066эВ)

Рис. 3.5. - Геометрия оптимизированных кластеров Si38 в разных зарядовых состояниях при полной пассивации поверхностных связей.

Таблица 3.4. Энергии атомизации и ширины щелей пассивированных водородом кластеров без вакансии и с вакансией.

Кластер

Энергия атомизации на один атом, эВ

ВЗМО-НСМО щель, эВ

Si38H30

3.462183

0,916

(Si37+V0)H30

4.208723

0,1816

(Si37+V)H30

3.462190

0,2424

(Si37+V+)H30

3.475459

0,173

Для всех исследованных кластеров наблюдается перенос положительного заряда на поверхность, при этом по координационным сферам знак заряда чередуется.

Похожие статьи




Влияние вакансии на структурные параметры и энергетические характеристики кластеров кремния Si38 и Si38H30 - Метод Монте Карло в химическом моделировании

Предыдущая | Следующая