论文部分内容阅读
【摘 要】采用含时密度泛函理论对ZnnSn(1≤n≤16)量子点的吸收光谱,能隙(HOMO-LUMO)及电子性质进行了模拟分析。结果表明,随着ZnnSn(1≤n≤16)量子点尺寸的增大,量子点的吸收光谱逐渐红移,表现出较强的量子尺寸效应。量子点ZnnSn(3≤n≤16)的吸收峰主要集中在可见光区。量子点的对称性越高,量子点的吸收峰越集中。
【关键词】硫化锌;量子点;含时密度泛函理论
1 引言
Ⅱ-Ⅵ族半導体材料由于具有独特的物理、化学性质,一直深受研究人员的关注[1-5]. 例如ZnO、ZnS、CdS、CdSe等都是直接带隙半导体,其能隙覆盖了整个可见光范围,因而是一类具有广泛应用前景的重要光敏材料. 随Ⅱ-Ⅵ族半导体量子点实验研究的不断深入,Ⅱ-Ⅵ族半导体材料的理论研究也越来越受到科学家的重视,特别是对Ⅱ-Ⅵ族半导体量子点的理论研究. ZnS 是一种Ⅱ-Ⅵ族半导体材料,属于直接带隙,光电性能良好,应用前景广泛。对ZnnSn半导体量子点进行研究,有助于人们对ZnS晶粒及薄膜的光学以及电子性质的研究。 但是,由于量子点的电子性质对量子点的结构比较敏感,同时随着原子个数的增加,量子点的初始结构逐渐增多,计算工作量也越来越大,因此给较大ZnnSn半导体量子点的理论研究带来了极大的挑战。 据我们了解,相对其它Ⅱ-Ⅵ族半导体材料而言,对ZnS半导体材料的研究文献报道还比较少。 例如,CHEN Hongxia等人[1]利用密度泛函理论研究了ZnS量子点的结构及其稳定性。张欣等人[2]研究了(ZnS)6-12量子点的三阶非线性光学性质。 M. Claudia Troparevsky等人[3]研究了CdnXn (X=S,Se; n=2 - 8)小团簇的结构及电子性质。通过查阅文献发现,关于ZnS量子点的研究很少。因此,开展对ZnnSn半导体量子点的研究对于认识ZnS晶粒以及ZnS薄膜的形成及性质都有重要的参考意义。 本文利用Dmol3模拟软件包对ZnnSn(1≤n≤16)的初始结构进行优化,并对其总能量、电子性质以及吸收光谱进行模拟分析。
2 计算方法
3 结果与分析
3.1 量子点结构分析
3.2 电子性质分析
3.3 光谱分析
综合图5和图6不难看出,随着ZnnSn(1≤n≤16)量子点原子个数的增加,量子点的吸收光谱逐渐红移,表现出较强的量子尺寸效应。量子点ZnnSn(3≤n≤14)的吸收峰主要集中在紫外区。量子点的对称性越高,量子点的吸收峰值越集中,红移现象越明显。
4 结论
采用含时密度泛函理论的广义梯度近似对ZnnSn(1≤n≤16)半导体量子点的几何结构进行了优化,并对其总能量、吸收光谱以及电子性质进行了模拟分析。结果显示,当n≤3时,量子点的最低能量结构为平面结构;当4≤n≤16时,量子点的最低能量结构为三维笼状结构。4≤n≤16量子点的最低能量结构可以看成是由量子点Zn2S2或Zn3S3两个基元构成。 ZnnSn(1≤n≤16)半导体量子点的总能量二阶有限差分△2E(n),平均结合能Eb以及能隙Egap都表明n=3、6、8、11和14为量子点的幻数。ZnnSn(6≤n≤15)量子点的最低能量结构里的锌原子与硫原子最外层电子形成SP2杂化,是造成量子点能量较低的原因。随着ZnnSn(1≤n≤16)量子点原子个数的增加,量子点的吸收光谱出现红移现象。
参考文献
[1] CHEN Hongxia,WANG Baolin. Structure and Stability of Medium_sized ZnS Clusters[J]. 计算物理,2010,(7):601-610.
[2] 张欣,黄婷婷,谭凯等. (ZnS)6-12团簇三阶非线性光学性质的理论研究[J]. 高等学校化学学报,2007,(6):1126-1130.
[3] M. Claudia Troparevsky, and James R. Chelikowsky, J. Chem. Phys. 114, 943-949 (2001).
[4] Z. Adam Peng,Xiaogang Peng. Formation of High-Quality CdTe,CdSe,and CdS Nanocrystals Using ZnS as Precursor[J]. J. Am. Chem. Soc.,2001,(123):183-184.
[5] Jon M. Matxain, JoSph E. Fowler, and Jesus M. Ugalde. Small clusters of II-VI materials ZniSi (i=1-9)[J]. Phys. Rev. A, 2000,(61): 053201.
[6] 楚合营,刘朝霞,罗华平,张景川,胡芸莎.CdnSn(1≤n≤12)团簇结构与电子性质的密度泛函理论研究[J]. 塔里木大学学报,2012,(24):39-44.
[7] Chu He-Ying, Liu Zhao-Xia, Qiu Guo-Li, et al. First-principles study of structures and electronic properties of cadmium sulfide clusters[J]. Chin. Phys. B, 2008, (17): 2478-2483.
[8] 刘朝霞,楚合营,胡芸莎等. CdnSen(1≤n≤12)团簇结构与电子性质的第一性原理研究[J]. 原子与分子物理学报,2011, (28): 1037-1044.
基金项目:
塔里木大学校长基金硕士项目(TDZKSS1010);主任基金资助项目(11242013)。
【关键词】硫化锌;量子点;含时密度泛函理论
1 引言
Ⅱ-Ⅵ族半導体材料由于具有独特的物理、化学性质,一直深受研究人员的关注[1-5]. 例如ZnO、ZnS、CdS、CdSe等都是直接带隙半导体,其能隙覆盖了整个可见光范围,因而是一类具有广泛应用前景的重要光敏材料. 随Ⅱ-Ⅵ族半导体量子点实验研究的不断深入,Ⅱ-Ⅵ族半导体材料的理论研究也越来越受到科学家的重视,特别是对Ⅱ-Ⅵ族半导体量子点的理论研究. ZnS 是一种Ⅱ-Ⅵ族半导体材料,属于直接带隙,光电性能良好,应用前景广泛。对ZnnSn半导体量子点进行研究,有助于人们对ZnS晶粒及薄膜的光学以及电子性质的研究。 但是,由于量子点的电子性质对量子点的结构比较敏感,同时随着原子个数的增加,量子点的初始结构逐渐增多,计算工作量也越来越大,因此给较大ZnnSn半导体量子点的理论研究带来了极大的挑战。 据我们了解,相对其它Ⅱ-Ⅵ族半导体材料而言,对ZnS半导体材料的研究文献报道还比较少。 例如,CHEN Hongxia等人[1]利用密度泛函理论研究了ZnS量子点的结构及其稳定性。张欣等人[2]研究了(ZnS)6-12量子点的三阶非线性光学性质。 M. Claudia Troparevsky等人[3]研究了CdnXn (X=S,Se; n=2 - 8)小团簇的结构及电子性质。通过查阅文献发现,关于ZnS量子点的研究很少。因此,开展对ZnnSn半导体量子点的研究对于认识ZnS晶粒以及ZnS薄膜的形成及性质都有重要的参考意义。 本文利用Dmol3模拟软件包对ZnnSn(1≤n≤16)的初始结构进行优化,并对其总能量、电子性质以及吸收光谱进行模拟分析。
2 计算方法
3 结果与分析
3.1 量子点结构分析
3.2 电子性质分析
3.3 光谱分析
综合图5和图6不难看出,随着ZnnSn(1≤n≤16)量子点原子个数的增加,量子点的吸收光谱逐渐红移,表现出较强的量子尺寸效应。量子点ZnnSn(3≤n≤14)的吸收峰主要集中在紫外区。量子点的对称性越高,量子点的吸收峰值越集中,红移现象越明显。
4 结论
采用含时密度泛函理论的广义梯度近似对ZnnSn(1≤n≤16)半导体量子点的几何结构进行了优化,并对其总能量、吸收光谱以及电子性质进行了模拟分析。结果显示,当n≤3时,量子点的最低能量结构为平面结构;当4≤n≤16时,量子点的最低能量结构为三维笼状结构。4≤n≤16量子点的最低能量结构可以看成是由量子点Zn2S2或Zn3S3两个基元构成。 ZnnSn(1≤n≤16)半导体量子点的总能量二阶有限差分△2E(n),平均结合能Eb以及能隙Egap都表明n=3、6、8、11和14为量子点的幻数。ZnnSn(6≤n≤15)量子点的最低能量结构里的锌原子与硫原子最外层电子形成SP2杂化,是造成量子点能量较低的原因。随着ZnnSn(1≤n≤16)量子点原子个数的增加,量子点的吸收光谱出现红移现象。
参考文献
[1] CHEN Hongxia,WANG Baolin. Structure and Stability of Medium_sized ZnS Clusters[J]. 计算物理,2010,(7):601-610.
[2] 张欣,黄婷婷,谭凯等. (ZnS)6-12团簇三阶非线性光学性质的理论研究[J]. 高等学校化学学报,2007,(6):1126-1130.
[3] M. Claudia Troparevsky, and James R. Chelikowsky, J. Chem. Phys. 114, 943-949 (2001).
[4] Z. Adam Peng,Xiaogang Peng. Formation of High-Quality CdTe,CdSe,and CdS Nanocrystals Using ZnS as Precursor[J]. J. Am. Chem. Soc.,2001,(123):183-184.
[5] Jon M. Matxain, JoSph E. Fowler, and Jesus M. Ugalde. Small clusters of II-VI materials ZniSi (i=1-9)[J]. Phys. Rev. A, 2000,(61): 053201.
[6] 楚合营,刘朝霞,罗华平,张景川,胡芸莎.CdnSn(1≤n≤12)团簇结构与电子性质的密度泛函理论研究[J]. 塔里木大学学报,2012,(24):39-44.
[7] Chu He-Ying, Liu Zhao-Xia, Qiu Guo-Li, et al. First-principles study of structures and electronic properties of cadmium sulfide clusters[J]. Chin. Phys. B, 2008, (17): 2478-2483.
[8] 刘朝霞,楚合营,胡芸莎等. CdnSen(1≤n≤12)团簇结构与电子性质的第一性原理研究[J]. 原子与分子物理学报,2011, (28): 1037-1044.
基金项目:
塔里木大学校长基金硕士项目(TDZKSS1010);主任基金资助项目(11242013)。