МОДЕЛИРОВАНИЕ СВОЙСТВ НАНОСТРУКТУР СУЛЬФИДА ЦИНКА

ВВЕДЕНИЕ

Наноструктуры являются новым классом материалов, представляющий собой элементы, размеры которых варьируются в диапазоне 1 – 100 нм и име-ющих один из самых больших потенциалов для повышения производительности и расширенных возможностей продуктов в ряде отраслей промышленности. Наноструктуры можно разделить на нульмерные (0D) кластеры и наночастицы, одномерные (1D) волоконные, двумерные (2D) плёночные и многослойные, трехмерные (3D) поликристаллические на основе их форм [1].
Существует множество новых возможностей, которые могут быть реализованы путем уменьшения размеров существующих материалов в наномасштабный размер, или путем создания новых типов наноструктур. Наиболее яркий пример – микроэлектроника, где с уменьшением размеров частей интегральных микросхем повышается мощность и уменьшается энергопотребление.
Сульфид цинка является одним из первых обнаруженных в природе по-лупроводниковых соединений. Его атомная структура и химические свойства сопоставимы с более популярным оксидным соединением ZnO. Однако некоторые свойства, характерные для соединения ZnS, являются уникальными по сравнению с соединением ZnO. Например, ZnS имеет ширину запрещенной зоны 3.72 эВ и 3.77 эВ для разных модификаций, тогда как ZnO – 3.2 эВ и 3.4 эВ и энергию экситона 49 мэВ по сравнению с энергией экситона ZnO – 60 мэВ [2].
Наноструктуры сульфида цинка являются перспективными для развития и внедрения или уже применяются в полевых транзисторах, оптических датчиках УФ-излучений, микролазерах на гетеропереходах и квантовых точках, химических датчиках и датчиках газов, биосенсорах, наномеханических генераторах энергии и катализаторах.
Широкий спектр применения наночастиц ZnS объясняется его способно-стью образовывать разнообразные структуры такие как сфероиды, квантовые точки, нити, стержни, ленты, спирали, кольца, тетраподы, пирамиды и т. д. В зависимости от методики, могут быть получены в газовой фазе, в коллоидных жидкостях, адсорбированными на подложке, а также инкапсулированными в твердотельных материалах [2].
Одним из основных мотивов в изучении наноструктур ZnS является раз-работка фундаментального понимания поведения материала в наномасштабе, так как свойства и структура наночастиц часто весьма отличаются от микроча-стиц и зависят также от размера и формы.
Целью данной выпускной квалификационной работы является исследо-вание свойств наноструктур ZnS объемно-центрированной гексагональной конфигураций. Задачами, требующими решения являются:
– построение наноструктур ZnS;
– структурные свойства наноструктур ZnS;
– электронные и электромагнитные свойства наноструктур ZnS.
– расчётная плотность наноструктур ZnS
?

СОДЕРЖАНИЕ

Обозначения и сокращения 4
Введение 5
1 Разновидность наноструктур ZnS 7
1.1Нульмерные наноструктуры 7
1.2 Одномерные наноструктуры 11
1.3 Двумерные наноструктуры 13
2 Кристаллографические формы ZnS 15
3 Способы получения наноструктур ZnS 17
4 Моделирование наноструктур ZnS методом DFTB 30
5 Экспериментальная часть 32
6 Моделирование открытых нанотрубок ZnS 33
7 Моделирование закрытых нанотрубок ZnS 43
Заключение 51
Список использованных источников 52

Добрый день! Уважаемые студенты, Вашему вниманию представляется дипломная работа на тему: «МОДЕЛИРОВАНИЕ СВОЙСТВ НАНОСТРУКТУР СУЛЬФИДА ЦИНКА»

Оригинальность работы 82%

Выпускная квалификационная работа 56 с., 32 рис., 8 табл., 41 источник.
ОДНОМЕРНЫЕ НАНОСТРУКТУРЫ, НАНОТРУБКИ, СУЛЬФИД ЦИНКА, КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ, ЭЛЕКТРОННЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ, ГЕОМЕТРИЯ НАНОСТРУКТУР
Целью работы являлось исследование свойств (геометрия, энергии и эн-тальпии образования, расчетная плотность, электронные характеристики, ди-польный момент) модельных наноструктур сульфида цинка.
Для осуществления поставленной задачи было использовано программ-ное обеспечение HyperChem, позволяющее прогнозировать структурные, электронные и энергетические свойства веществ и отдельных молекул, а также оптимизировать геометрию структур.
В ходе работы был обнаружен ряд закономерностей в изменении струк-турных и электронных свойств нанотрубок сульфида цинка.
Было обнаружено, что одномерные трубчатые наноструктуры ZnS имеют два вида кристаллографического строения и два вида слоевых соединений. Также были проанализированы электронные и электромагнитные характеристики одномерных наноструктур ZnS и их изменение от увеличения размеров наноструктур. Полученные данные свидетельствуют о том, что одномерные наноструктуры ZnS имеют большую перспективу применения в области наноэлектроники и наносенсорики.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1 Buzea C. Nanomaterials and Nanoparticles: Sources and Toxicity / C. Buzea, K.Robbie. – O.: Department of Physics, Queen's University at Kingston, 2015. – 200 c.
2 Davidson W. X-ray diffraction evidence for ZnS formation in zinc activated rubber vulcanizates / W. Davidson // Physical Review. – 2018. – Vol. 194. – № 12. – P. 117–118.
3 Fang X. Inorganic semiconductor nanostructures and their field-emission
Applications / X. Fang, Y. Bando, D. Golberg // Journal of Materials Chemistry. – 2007. – Vol. 18. – № 2. – P. 509–510.
4 Akerman M. Nanocrystal targeting in vivo / M. Akerman, P. Laakkonen. – A.: Department of Bioengineering, University of California at San Diego, 2002. – 126 c.
5 Debasis B. One dimensional nanostructured materials / B. Debasis, S. Seal. – Progress in Materials Science. – 2007. – Vol. 22. – № 4. – P. 706–709.
6 Ashton M. Topology-Scaling Identification of Layered Solids and Stable Exfoliated 2D Materials / M. Ashton, J. Paul // Physical Review. – 2017. – Vol. 118. – №6. – P. 1–2.
7 Xu S. Assembly of micro/nanomaterials into complex, three-dimensional architectures by compressive buckling / S. Xu, Y. Zheng // Materials Science. – 2015. – Vol. 347. – № 1. – P. 154–159.
8 Choi H. Renal clearance of quantum dots / H. Choi, W. Liu // Nature Bio-technology. – 2007. – Vol. 10. – № 8. – P. 1165–1169.
9 Li Y. Ligand-Controlling Synthesis and Ordered Assembly of ZnS Nanorods and Nanodots / Y. Li, X. Li // Journal of Physical Chemistry. – 2004. Vol. 108. – № 41. – P. 16005–16006.
10 Allan G. Frequency-Dependent Spontaneous Emission Rate from CdSe and CdTe Nanocrystals: Influence of Dark States / G. Allan, C. Delerue // Physical Review. – 2005. – Vol. 95. – № 5. – P. 1–4.
11 Xie R. Synthesis and Characterization of Highly Luminescent CdSe-Core CdS/ZnCdS/ZnS Multishell Nanocrystals / R. Xie, U. Kolb // Journal of the Ameri-can Chemical Society. – 2005. – Vol. 127. – № 1. – P. 7480–7488.
12 Greenemeier L. New Electronics Promise Wireless at Warp Speed / L. Greenemeier // Scientific American. – 2008. – Vol. 92. – № 9. – P. 46–48.
13 Lafave J. Correspondences between the classical electrostatic Thomson problem and atomic electronic structure // The Journal of Electrostatics. – 2013. – Vol. 71. – № 7. – P. 1029–1035.
14 Wang Z. Facile Synthesis of Superparamagnetic Fluorescent Fe3O4/ZnS Hollow Nanospheres / Z. Wang, L. Wu // The Journal of the American Chemical Society. – 2009. – Vol. 131. – № 12. – P. 11276–11277.
15 Green M. Semiconductor quantum dots and free radical induced DNA / M. Green, E. Howman // Chemical Communications. – 2005. – Vol. 12. – № 10. – P. 121–123.
16 Achermann M. Energy-transfer pumping of semiconductor nanocrystals using an epitaxial quantum well / M. Achermann, S. Kos // Nature. – 2004. – Vol. 10. – № 16. – P. 642–645.
17 Beane G. Energy Transfer Between Quantum Dots and Conjugated Dye Molecules / G. Beane, K. Boldt // Journal of Physical Chemistry. – 2014. – Vol. 1. - № 1. – P. 1–27.
18 Fang X. ZnS nanostructures: From synthesis to applications / X. Fang, T. Zhai // Progress in Materials Science. – 2011. – Vol. 56. – № 2. – P. 188–189.
19 Shi L. Shape-Selective Synthesis and Optical Properties of Highly Ordered One-Dimensional ZnS Nanostructures / L. Shi, Y. Xu // Crystal growth and design. – 2009. – Vol. 9. – № 5. – P. 2214–2219.
20 Mohr M. Effects of a ZnS-shell on the structural and electronic properties of CdSe-nanorods / M. Mohr, C. Thomsen // Physica Status Solidi. – 2010. – Vol. 4. – № 10. – P. 16–18.
21 Moore D. Growth of anisotropic one-dimensional ZnS nanostructures / D. Moore, Z. Wang // Journal of Materials Chemistry. – 2006. – Vol. 3. – №5. – P. 12–16.
22 Miquel J. Graphene-Based Nano-Antennas for Electromagnetic Nanocom-munications in the Terahertz Band / J. Miquel, I.F. Akyildiz // Journal of Electrostatics. – 2013. – Vol. 70. – № 2. – P. 429–431.
23 Zhang C. Synthesis of Nitrogen-Doped Graphene Using Embedded Carbon and Nitrogen Sources / C. Zhang, L. Fu // Advanced Materials. – 2011. – Vol. 23. – № 9. – 1020–1024.
24 Wells A. The lanthanides and actinides / A. Wells // Structural inorganic chemistry. – 1984. – Vol. 5. – № 6. – P. 1248–1273.
25 Fang X. ZnS nanostructures: From synthesis to applications / X. Fang, T. Zhai // Progress in Materials Science. – 2011. – Vol. 7. – № 9. – P. 175–278.
26 Thottoli A. K. Effect of trisodium citrate concentration on the particle growth of ZnS nanoparticles / A. K. Thottoli, A. Kaliani, A. Unni // Journal Of Nanostructure in Chemistry. – 2013. – Vol. 11. – № 4. – P. 4–5.
27 Daeso K. Zigzag Zinc Blende ZnS Nanowires: Large Scale Synthesis and Their Structure Evolution Induced by Electron Irradiation / K. Daeso, S. Paresh // Nano Research. – 2011. – Vol. 8. – № 2. – P. 6–8.
28 Catalytic growth of clusters of wurtzite ZnS nanorods through co-deposition of ZnS and Zn on Au film / J. Changqing , C. Yingchun, Z. Xin et al. //
CrystEngComm. – Vol. 5. – 2013. – № 6. – P. 8–9.
29 Geng B. Y. Size-dependent optical and electrochemical band gaps of ZnS nanorods fabricated through single molecule precursor route / B. Y. Geng, X. W. Liu, J. Z. Ma // Applied Physics Letters. – 2011. – Vol. 90. – № 12. – P. 64–67.
30 Pengfei H. A New Simple Route to ZnS Quantized Particles with Tunable Size and Shape, and Size/Shape-Dependent Optical Properties / H. Pengfei, C. Yali, L. Yanyan // Advances in Materials Physics and Chemistry. – 2013. – Vol. 3. – № 16. – P. 10–18.
31 Xiong Q. Optical Properties of Rectangular Cross-sectional ZnS Nan-owires / Q. Xiong , G. Chen // Nano Letters. – 2014. – Vol. 4. – № 9. – P. 21–26.
32 Dasari A. Synthesis, Characterization of ZnS nanoparticles by Coprecipitation method using various capping agents – Photo catalytic activity and Kinetic study / A. Dasari, V. Maragoni // Journal of Applied Chemistry. – 2013. – Vol. 6. – № 3. – P. 13–15.
33 Liang C. Bandgap-graded ZnO/(CdS)1?x(ZnS)x coaxial nanowire arrays for semiconductor-sensitized solar cells / C. Liang, L. Luying // Materials Research Express. – 2014. – Vol. 5. – № 7. – P. 7–9. 63-
34 Nanda K. Energy Levels in Embedded Semiconductor Nanoparticles and Nanowires / K. Nanda, F. Kruis // Nano Letters. – 2011. – Vol. 1. – № 11– P. 34–38.
35 Guozhen S. Carbon-Coated Single-Crystalline Zinc Sulfide Nanowires / S. Guozhen, B. Yoshio, D. Golberg // Journal of Physical Chemistry. – 2014. – Vol. 5. – № 3. – P. 33–37.
36 Shan L. Silica-coated and annealed CdS nanowires with enhanced photoluminescence / L. Shan, L. Min, W. Jia-Hong // Nano Letters. – 2011. – Vol. 14. – № 2.– P. 11–12.
37 Pal S. Theoretical Study on the Structural, Energetic, and Optical Properties of ZnS Nanotube / S. Pal, B. Goswami // Journal of Chemical Physics. – 2006. – Vol. 111. – № 3. – P. 1556–1559.
38 Richard C. Modelling nano-clusters and nucleation / C. Richard, A. Cat-low // Physical Chemistry Chemical Physics. – 2010. – Vol. 12. – № 4. – P 773–1008.
39 Alder B. Studies in Molecular Dynamics. I. General Method / B. Alder, T. Wainwright // Journal of Chemical Physics. – 2013. – Vol. 31. – № 6. – P. 459–456.
40 Dewar M. AM1: A New General Purpose Quantum Mechanical Molecular Model / M. Dewar, E. Zoebisch // Journal of the American Chemical Society. – 1985. – Vol. 107. – № 1. – P. 3902–3909.
41 Bruke L. On the tunnel effect / L. Bruke, Ranney T. // The Quarterly Jour-nal of Experimental Psychology. – 1989. – Vol. 4. – № 3. – P. 121–138.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Основные результаты дипломной работы заключаются в следующем:
1 на основании анализа литературы были выявлены текущие области применения наноструктур ZnS, способы их получения и различные свойства;
2 подобраны наиболее подходящие для данных структур методы компьютерного моделирования с учётом возможных к использованию ресурсов вычислительной мощности;
3 были построены и оптимизированы одномерные наноструктуры ZnS разной длины и толщины;
4 были изучены расчётные электронные свойства, электромагнитные свойства, характеристики дипольного момента и плотности нанотрубок ZnS открытого и закрытого типа.
Установлено, что открытые наноструктуры ZnS имеют большую ?Eg и в некоторых случаях не имеют энергетически стабильной формы. Закрытые наноструктуры ZnS энергетически стабильны и имеют различный диапазон значений ?Eg. Квазиуглеродные наноструктуры ZnS имеют широкозонные по-лупроводниковые характеристики, гексагональные наноструктуры ZnS имеют узкозонные полупроводниковые характеристики.
Расчётная плотность открытых наноструктур ZnS меняется незначитель-но и имеет линейную зависимость от структурных характеристик. Закрытые наноструктуры ZnS имели другую зависимость, структуры определенного диаметра и наименьшей длины имели наибольший дипольный момент и при удлинении наноструктуры значения уменьшались.
Характеристики дипольного момента открытых и закрытых наноструктур ZnS увеличивались по линейной зависимости при увеличением размера наноструктур;