Влияние типов лигандов на формирование локализованных состояний в квантовых Точках CdSe
Введение
Целью настоящей дипломной работы является рассмотрение влияния лигандов на формирование локализованных состояний в квантовых точках CdSe.
Поставленная цель обуславливает необходимость решения следующих задач:
1. Провести анализ актуальности темы и дальнейших планов развития;
2. Рассмотреть исследуемою структуру и провести аналитические расчеты в программном пакете Guassian;
3. Рассмотреть различные методы исследования и проанализировать полученные данные.
Солнечная энергетика – одно из направлений альтернативной энергетики, основанное на использовании солнечного излучения для получения энергии в каком-либо виде. У солнечной энергии существует огромный потенциал и достаточно большое количество преимуществ по сравнению с другими видами энергии. Однако эффективность элементов, используемых в их основе все еще недостаточная, что в свою очередь даёт слабую общую производительность.
Конечно, как и у всех источников энергии, у солнечной энергии есть свои преимущества и недостатки. Одним из главных преимуществ является возобновляемость и экологичность. К сожалению, все преимущества может затмить один важный фактор – стоимость. Обустройство объекта солнечными панелями может обойтись в немалую сумму на начальном этапе. Однако некоторые государства поощряют использование этого вида источника энергии путем выдачи кредитов и оформления лизингов. В настоящее время до 25 % коэффициентом преобразования являются традиционные батареи на кремнии. Кремний – вещество, из которого изготавливается большинство современных солнечных элементов. Производство и эксплуатация материалов, как уже говорилось выше является очень затратным и дорогим мероприятием. Более того, коэффициент полезного действия солнечных элементов на основе кремния составляет около 10-20%, что довольно мало. Также проблемой использования солнечных элементов является и ширина запрещенной зоны. Ширина запрещенной зоны в солнечных элементах на основе веществ, обладающих полупроводниковыми свойствами, — величина, которая определяет энергию испускаемых фотонов. Решение данной проблемы состоит в использовании квантовых точек.
СОДЕРЖАНИЕ
Введение ………………………………………………………………………… 7
1 Основные теоретические и экспериментальные данные кристалла CdSe… 10
1.1 Полупроводниковые квантовые точки (КВ) и их свойства. Пассивация КВ. Электронные спектры поглощения в полупроводниках и КВ….…. 10
1.2 DFT и TD-DFT методы расчета ………………………………………….. 14
1.3 Физические и химические свойства кристалла CdSe. Получение CdSe. Наночастицы CdSe ………………………………………………………... 16
2 Расчет и анализ возможности пассивирования по имеющимся данным….. 20
2.1 Построение и визуализация структуры кристалла CdSe при помощи программного пакета Gaussian …………………………………………… 20
2.2 Оптимизация структур, расчет спектра поглощения при помощи программного пакета Gaussian09W ……………………………………… 22
2.3 Влияние лигандов на полупроводниковые квантовые точки. Пассивация лигандами. Свойства лиганда CdI2 ………………………… 24
2.4 Оптимизация CdI2. Внедрение CdI2 в виде оболочки в структуру CdSe с последующей оптимизацией и расчетом спектра поглощения ………. 28
2.5 Метод молекулярных орбиталей. Расчет молекулярных орбиталей и их визуализация ……………………………………………………………… 31
3 Главные результаты и выводы из расчетов ……………………………….… 37
3.1 Недостатки используемых методов расчета …………………………….. 37
3.2 Открытые проблемы исследованного материала ……………………….. 40
3.3 Результаты расчетов пассивирования лигандами……………………….. 41
Заключение………………………………………………………………………. 43
Список использованной литературы ………………………………………….. 45
Приложение (я) …………………………………………………………………. 49
Список использованной литературы
1 Ермолаев В. Л. Влияние лигандов и растворителя на безызлучательные переходы в полупроводниковых квантовых точках // Университет ИТМО, Санкт-Петербург, Россия. – 2018. - C. 11–17
2 Сергеев А. А., Сергеева К. А., Леонов А. А. Cинтез и люминесценция допированных марганцем квантовых точек сульфида цинка / Дальневосточный федеральный университет, Владивосток, Россия. – 2018. - С. 47–52
3 Бездетко Ю. С., Клюев В. Г., Фёклин В. Н. Оптические свойства квантовых точек CdS, синтезированных при разных концентрациях реагентов / ВУНЦ ВВС, Воронежский государственный университет, Воронеж, Россия. – 2018. - С. 1–7
4 Гофтман В.В., Сперанская Е. С., Горячева И. Ю. Квантовые точки на основе СdSe: синтез, модификация поверхности, перспективы применения / Саратовский Государственный Университет им. Н. Г. Чернышевского, Саратов, Россия. – 2018. - С. 75–83
5 Коломийцева Ю. А., Коломийцев Ю. С., Скуйбин Б. Г., Амброзевич С. А. Исследование люминесценции квантовых точек CdSe/CdS / Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана, Москва, Россия. – 2018. - С. 1–5
6 Набиев И. Р. Фотохимические процессы в гибридных материалах на базе полупроводниковых нанокристаллов и органических молекул // Национальный исследовательский ядерный университет "МИФИ", Москва, Россия. – 2014. - С. 5.
7 Lewand L. R. Investigating Copper Sulfide Contamination in a Failed Large GSU Transformer // in Proceedings of the Seventy-Second Annual International Conference of Doble Clients, Doble Engineering Company, Watertown, MA USA. – 2005. - 12 p.
8 Lewand L. R. Corrosive Sulfur in Transformer Systems // NETA World, Summer. – 2003. - 15 p.
9 Melchiore J.J. and Mills, I.W. Factors Affecting Stability of Transformer and Cable Oils // in Proceedings of the Seventh Electrical Insulation Conference, IEEE. – 2015. - 17 p.
10 Shuai Zhao, Xiongfei Cai, Ji Wang, Ding Li, Shijie Zhao, Xinjie Yu, Shuai Zhang // Three types of passivators on the stabilization of exogenous lead-contaminated soil with different particle sizes, Sci Rep V. 11. – 2021. – 11 p.
11 Lishuang Wang, Ying Lv, Jie Lin, Jialong Zhao, Xingyuan Liu, Ruosheng Zeng, Xun Wang, Bingsuo Zou Surface organic ligand-passivated quantum dots: toward high-performance light-emitting diodes with long lifetimes // Journal of Materials Chemistry. – 2021. P. 2483–2490
12 McBride J. R., Dukes III A. D., Schreuder M. A., Rosenthal S. J. / Chem. Phys. Lett. – 2010. - P. 1–9
13 Talapin D. V., Rogach A. L., Kornowski A., Haase M., Weller H. Highly Luminescent Monodisperse CdSe and CdSe/ZnS Nanocrystals Synthesized in a Hexadecylamine – Trioctylphosphine Oxide – Trioctylphospine Mixture / Nano Lett. – 2001. – P. 207-211
14 de Mello Donega C., Koole R. Size dependence of the spontaneous emission rate and absorption cross section of CdSe and CdTe quantum dots // J. Phys. Chem. C. – 2009. -V.113. - P. 6511–6520
15 Liu C., Chung S.-Y., Lee S. et al. Adsorbate-induced absorption redshift in an organic-inorganic cluster conjugate: Electronic effects of surfactants and organic adsorbates on the lowest excited states of a methanethiol-CdSe conjugate // J. Chem. Phys. – 2009. – 174705 p.
16 Sarkar S. K., Chandrasekharan N., Gorer S., Hodes G. Reversible adsorption-enhanced quantum confinement in semiconductor quantum dots / Appl. Phys. Lett. – 2002. - P. 5045–5050
17 Azhniuk Yu. M., Milekhin A. G., Gomonnai A. V. et al. Resonant Raman Studies of Compositional and Size Dispersion of CdS1−xSex Nanocrystals in a Glass Matrix // J. Phys.: Condens. Matter. – 2004. - P. 9069–9082
18 Bersani D., Loticci P. P. Micro-Raman spectroscopic investigation of external wall paintings from St. Dumitru’s Church, Suceava // Phys. status solidi (b), Romania. –1992. V. 2. - P. 575-582
19 Dzhagan V., Rayevska O., Stroyuk O. et al. Phonon Spectra of Small Colloidal II-VI Semiconductor Nanocrystals // Phys. status solidi (c). – 2009. - P. 2043–2046
20 Кобзев Г. И. Расчет электронных характеристик молекул полуэмпирическим методом хюккеля / Оренбургский государственный университет, Оренбург, Россия. – 2004. - C. 7–11
21 H. Yamini Shrivastava, Balachandran Unni Nair. A fluorescence-based assay for nanogramquantification of proteins using a protein binding ligand // Analbioanal Chem. – 2003. - P. 169-174
22 Shaikh S.M.T., Seetharamappa J., Kandagal P.B., Manjunatha D.H., Ashoka S. Spectroscopic investigations on the mechanism of interactions of bioactive dye with bovine serum albumin // Dyes and pigments. – 2006. - P. 1- 7
23 Bidisa Sengupta, Pradeep K. Sengupta. The interraction of quersitin with human serum albumin: fluorescence spectroscopic studies // Biochemical and Biophysical Research Comunications. – 2002. P. 400-403
24 Андронов А. А., Ноздрин Ю. Н., Окомельков А.В., Васильев А. П., Жуков А.Е., Устинов В. М. Стимулированное излучение квантовых точек при оптической накачке // Квант. Электроника, Россия. – 2010. - T.40 (7). - C. 579–582
25 Буравлёв А. Д., Неведомский В. Н., Убыйвовк Е. В., Сапега В. Ф., Хребтов А. И., Самсоненко Ю. Б., Цырлин Г. Э., Устинов В. М. Квантовые точки (In, Mn) As: синтез методом молекулярно-пучковой эпитаксии и оптические свойства // Физика и техника полупроводников, Россия. – 2013. - Т.47. - вып. 8
26 Васильев Р.Б., Дирин Д.Н. Квантовые точки: синтез, свойства, применение // Методические материалы ФНМ. М., Россия. – 2007. – 34 c.
27 Грузинцев А. Н., Емельченко Г. А., Масалов В.М., Якимов Е. Е., Бартхоу К., Мэтр А. Люминесценция квантовых точек CdSe/ZnS, инфильтрованных в опаловую матрицу // Физика и техника полупроводников, Россия. – 2009. – Т.43. - вып. 8
28 Николенко Л. М., Разумов В. Ф. Коллоидные квантовые точки в солнечных элементах // Успехи химии 82 (5), Россия. – 2013. - C. 429–448
29 Смирнов Е. В. Квантовые объекты нанотехнологий: свойства, применения, перспективы / Инженерный журнал: наука и инновации, Россия. – 2013. - вып. 6. 15 c.
30 Bera D. Quantum dots and their multimodal applications: a review / D. Bera, L. Qian, T. K. Tseng and others // Materials. – 2010. - V.3. - P. 2260-2345
31 Li Q., Luo T.-Y., Zhoi M., Abroshan H., Huang J., Kim H.J., Rosi N.L., Shao Z., Jin R. // ACS Nano. – 2016. - V.10. - P. 8385–8393
32 R.S Chneider and L. Balan Hydrothermal routes for the synthesis of CdSe core quantum dots // INTECH. – 2012. - 24 p.
33 Гапоненко С. В., Розанов Н. Н., Ивченко Е. Л., Федоров А. В., Баранов А. В., Бонч-Бруевич А. М., Вартанян Т. А., Пржибельский С. Г. Оптика наноструктур / Под ред. Федорова А. В., Санкт-Петербург, Россия. – 2005. - 326 c.
34 Feng X.Т., Zhang F., Wang Y.L., Zhang Y., Yang Y.Z., Liu X.G. Chip-scale white flip-chip light-emitting diode containing indium phosphide/zinc selenide quantum dots / Appl. Phys. Lett. – 2015. - V.107. - p. 213102
35 Nguyen V., Yan L., Si J., Hou X. Femtosecond laser-assisted synthesis of highly photoluminescent carbon nanodots for Fe3+ detection with high sensitivity and selectivity // Optical Materials Express. – 2016. - V.6. - P. 312–320
36 W. Cai, T. Zhang, M. Xu, M. Zhang, Y. Guo, L. Zhang, J. Street, W.-J. Ong, and Q. Xu Full color carbon dots through surface engineering for constructing white light-emitting diodes // J. Mater. Chem. – 2019. – V.7. - P. 2212–2218
37 Wang L., Yin Y., Jain A., Zhou S. Aqueous phase synthesis of highly luminescent, nitrogen-doped CDs and their application as bioimaging agents // Langmuir. – 2014. - V.30. - P. 14270–14275
38 Ding C., Zhu A., Tian Y. Functional surface engineering of C dots for fluorescent biosensing and in vivo bioimaging // Acc. Chem. Res. 47. – 2014. - P. 20–30
39 Wang W., Wang B., Embrechts H., Damm C., Cadranel A., Strauss V., Distaso M., Hinterberger V., Guldi D.M., Peukert W. Shedding light on the effective fluorophore structure of high fluorescence quantum yield carbon nanodots // RSC Advances. – 2017. - V.7. - P. 24771–24780
40 Birla L., Cristian A.M., Hillebrand M. Absorption, and steady state fluorescence study of interaction between eosin and bovine serum albumin // Spectrochimica Acta Part A. – 2004. - P. 551–556
41 Partha Dutta, Pratik Sen, Arnab Halder, Saptarshi Mukherjee, Sobhan Sen, Kankan Bhattacharyya Solvation dynamics in protein-surfactant complex // Chemical Phisics letters. – 2003. - P. 229–235
42 H. Yamini Shrivastava, Balachandran Unni Nair. A fluorescence-based assay for nanogramquantification of proteins using a protein binding ligand // Analbioanal Chem., Iraq. – 2003. - P. 169–174
43 W. J. Parak, D. Gerion, T. Pellegrino, D. Zanchet, C. Micheel, S. C. Williams, R. Boudreau, M. A. Le Gros, C. A. Larabell, A. P. Alivisatos // Nanotechnology, UK. – 2003. - 14 p.
44 Shaikh S.M.T., Seetharamappa J., Kandagal P.B., Manjunatha D.H., Ashoka S. Spectroscopic investigations on the mechanism of interactions of bioactive dye with bovine serum albumin // Dyes and pigments, India. – 2006. - P. 1–7
45 Dong-Hui Li, Quing-Zi Zhu, Dong Ye, Ying Fang, Jin-Gou Hu. Rapid method for the determination of molar ratio of fluorophore to protein by fluorescence anisotropy detection // Analitica Chimica Acta, China. – 1999. - P. 85-88
46 Nacken T., Halbig C.E., Wawra S., Damm C., Romeis S., Walter J., Tehrani M.J., Hu Y., Ishii Y., Eigler S., Peukert W. Structural factors controlling size reduction of graphene oxide in liquid processing // Elsevier Ltd. – 2017. - V.125. - P. 360–369
47 Flach F., Konnerth C.G., Peppersack C., Schmidt J., Damm C., Breitung-Faes S., Peukert W., Kwade A. Impact of formulation and operating parameters on particle size and grinding media wear in wet media milling of organic compounds – A case study for pyrene // Advanced Powder Technology. – 2016. - V.27. - P. 2507–2519
48 Halbig C.E., Nacken T., Walter J., Damm C., Eigler S., Peukert W. Quantitative investigation of the fragmentation process and defect density evolution of oxo-functionalized graphene due to ultrasonication and milling // Journal Carbon. – 2016. - V.96. - P. 897–903
49 Konnerth C.G., Flach F., Breitung-Faes S., Damm C., Schmidt J., Kwade A., Peukert W. Impact of stressing conditions and polymer-surfactant interactions on product characteristics of organic nanoparticles produced by media milling // Powder Technology. – 2016. - V.294. - P. 71–79
50 Schaller R. D., Pietryga J. M., Goupalov S. V. et al. Breaking the Phonon Bottleneck in Semiconductor Nanocrystals via Multiphonon Emission Induced by Intrinsic Nonadiabatic Interactions // Phys. Rev. Lett. – 2005. - V.95. - P. 196401– (1–4)
51 Tepliakov N. V., Leonov M. Y., Baranov A. V. et al. Quantum theory of electroabsorption in semiconductor nanocrystals // Optics express. – 2016. - V.24. - P. A52–A57
52 Засавицкий И. И., Пашкеев Д. А., Мармалюк А. А., Рябоштан Ю. Л., Микаелян Г. Т. Квантовый каскадный лазер (λ ~ 8 мкм), получаемый методом МОС-гидридной эпитаксии // Квантовая электроника. ‒ 2010. - T. 40, № 2. ‒ C. 95–97
53 Arakelian S., Kutrovskaya S., Kucherik A., Osipov A., Povolotckaia A., Povolotskiy A., Manshina A. Laser-induced synthesis of nanostructured metal–carbon clusters and complexes // Optical and Quantum Electronics. ‒ 2016. - V.48. № 11. - P. 505(1)–505(8)
Такой способ выражения МО основан на предположении, что атом, представленный определенным набором орбиталей, сохраняет в молекуле свою индивидуальность. В квантовых расчетах пользуются полуэмпирическими, зависящими от экспериментальных параметров, и неэмпирическими методами, которые получаются решением уравнения Рутана. Методы различаются разными способами нахождения матричных элементов, описывающих взаимодействие электронов друг с другом, а также электронов и ядер атомов. В полуэмпирических методах для этого пользуются приближенными эмпирическими формулами и экспериментальными параметрами. В неэмпирических методах выполняется численный расчет всех матричных элементов, учитывающий взаимодействия всех частиц. Особенность приближенных методов, основанных на решении уравнения Шредингера, следующая: чем сложнее молекула, тем меньше точность, тем труднее ее решать, используя численные методы. Существующие методы имеют ограничения, которые начинаются при увеличении количества атомов в молекуле до нескольких десятков. Расчет молекулярных орбиталей и их визуализация. Все вычисления делаются для расчёта электронной структуры молекул и конденсированного вещества. Твёрдое тело рассматривается как система, состоящая из большого числа одинаково взаимодействующих между собой электронов, удерживаемых вместе решёткой из атомных ядер. Для визуализации МО нам нужно открыть уже оптимизированный файл и записать нужные нам данные в таблицу, для последующей удобной работы с ними. Основное внимание уделяется возбужденным состояниям, в которых сила осциллятора приближается к значению 0.1. А также записываются молекулярные орбитали значения которых имеют наибольшее значение. Расчеты HOMO/LUMO осуществлялись для тех орбиталей, которые давали наибольший вклад в электронные переходы. Основные данные записаны в таблицу 2.1.3, которая приведена ниже.