Моделирование открытых нанотрубок ZnS

↑

▷ Содержание

⇐ ПредыдущаяСтр 4 из 6Следующая ⇒

В ходе проведение эксперимента было выявлено, что одномерные структуры ZnS имеют две формы строения квазиуглеродную и гексагональную и две формы структурного соединения гибридизированная, зигзагообразная. В процессе практического моделирования гибридизированные структуры показали наличие большого количества структурных дефектов (рисунок 22) и дальнейшее изучение не проводилось.

Серые шарики – атомы Zn, чёрные шарики – атомы S

Рисунок 22 – Дефект нанотрубки ZnS гибридизированного строения

Моделирование зигзагообразных нанотрубок осуществлялось по следующей схеме. Сначала были построены квазиуглеродные и гексагональные основы моделируемых трубчатых наноструктур (рисунок 23). Далее были построены и оптимизированы модели разных конфигураций.

Длина нанотрубки увеличивалась путем приумножения и соединения основ и добавления в них большего числа гексагональных сегментов.

Была обнаружено, что при расширении нанотрубки с восьми гексагональных сегментов до десяти их диаметр менялся незначительно. Возникает эффект гармошки и наноструктура начинает сжиматься как гармошка (рисунок 24).

б

а

Серые шарики – атомы Zn, чёрные шарики – атомы S

a – квазиуглеродная наноструктура, б – гексагональная наноструктура

Рисунок 23 – Cтруктурные основы кольца ZnS

Длина нанотрубки также оказала влияние на диаметр нашей структуры, но незначительное. Это можно объяснить с тем, что при увеличении нанотрубки, края начинают сворачиваться к осевому центру и в критической точке нанотрубка закроется.

А

Б

Серые шарики – атомы Zn, чёрные шарики – атомы S

a – структура из восьми гексагональных сегментов, б – структура из десяти гексагональных сегментов

Рисунок 24 – Сравнение открытых квазиуглеродных нанотрубок ZnS

Процесс роста в толщину открытых квазигексагональных нанотрубок ZnS показан на рисунке 25. При утолщении нанотрубки радикально менялась их форма, самая узкая наноструктура имеет треугольное сечение, а самая большая имеет форму сечения в виде шестиконечной звезды. При добавлении двух гексагональных сегментов к основе менялась форма сечения, и изменение заключалось в добавлении дополнительного угла в сечении за каждые два гексагональных сегмента.

А

Б

В

Г

Серые шарики – атомы Zn, чёрные шарики – атомы S

a – структура толщиной 0.69 нм, б – структура толщиной 1 нм, в – структура толщиной 1.04 нм, г – cтруктура толщиной 1.4 нм

Рисунок 25 – Процесс роста в толщину открытых квазигексагональных нанотрубок ZnS

При увеличении длины и ширины квазиуглеродных нанотрубок ZnS поднимались верхние (HOMO) и нижние энергетические уровни (LUMO) валентной зоны, за счёт чего уменьшалась ширина запрещенной зоны (таблица 1). Это объясняется тем, что из-за увеличения размера нанотрубок уменьшается влияние квантово-размерного эффекта и увеличивается симметричность структуры, вследствие чего увеличивается длина свободного пробега электронов.

Стоит упомянуть, что даже при наличии такой большой запрещенной зоны возможно туннелирование электронов между нижней свободной орбиталью и верхней занятой орбиталью за счёт туннельного эффекта.

Суть туннельного эффекта заключается в нарушении законов классической механики, а именно нарушении закона сохранения энергии на кратковременный промежуток времени.

Процесс можно представить в виде простой модели, то есть имеется вероятность того, что электрон пройдет под потенциальны барьером, в следствии будет иметь отрицательную энергию на незначительный промежуток времени [41].

Таблица 1 – Характеристики квазиуглеродных открытых нанотрубок ZnS

Примечание – *структура не является энергетически устойчивой

Анализируя таблицу 1 мы видим, что удлинение открытых гексагональных нанотрубок ZnS не влияет на изменение её толщины, это говорит нам о высокой степени симметричности наноструктур. Электронные характеристики показывают довольно большую ширину запрещенной зоны, то есть диэлектрическую природу открытых гексагональных наноструктур ZnS. Так же были экспериментально получены  структуры с положительными значениями энергии нижнего незанятого уровня, то есть структура не имеет стабильной формы.

В таблице 2 представлено изменение дипольного момента открытых квазигексагональных нанотрубок ZnS и их расчётная плотность.

По причине того, что электронные характеристики открытых квазигексагональных нанотрубок ZnS показывают диэлектрические свойства и высокие значения дипольного момента, то возможно предположить о наличии пьезоэлектрического эффекта основанного на принципе поляризации.

Таблица 2 – Характеристики квазиуглеродных открытых нанотрубок ZnS

Анализируя таблицу 2 мы видим, что три наноструктуры открытых квазигексагональных нанотрубок ZnS имеют довольно высокий дипольный момент, и высокую электронную плотность. Полученные результаты говорят нам о том, что можно получить высокоэффективные наномеханические генераторы энергии.

На рисунке 26 показан процесс моделируемого роста квазиуглеродных нанотрубок ZnS.

А

Б

В

Серые шарики – атомы Zn, чёрные шарики – атомы S

a – структура длиной 2.94 нм, b – структура длиной 3.68 нм, с – структура длиной 4.40 нм

Рисунок 26 – Рост открытых квазиуглеродных нанотрубок ZnS

Далее был рассмотрен процесс роста открытых нанотрубок ZnS в ширину, но уже гексагональной структуры (рисунок 27).

Б

А

Г

В

Серые шарики – атомы Zn, чёрные шарики – атомы S

a – структура толщиной 0.71 нм, б – структура толщиной 0.94 нм, в – структура толщиной 1.18 нм, г – структура толщиной 1.42 нм

Рисунок 27 – Открытые нанотрубки ZnS гексагональной формы

В таблице 3 показаны структурные и электронные характеристики гексагональных нанотрубок ZnS.

Из полученных результатов в таблице 4 можно сделать вывод, что нанотрубки ZnS гексагональной структуры имеют только одну устойчивую электронную конфигурацию, в остальных случаях нижний незанятый электронный уровень имеют положительный диапазон энергии, это значит то, что наноструктуры находятся в возбужденном состоянии и наноструктура стремится к ионизированному состоянию.

Структурные характеристики показывают, что открытые гексагональные нанотрубки ZnS имеют одинаковую толщину на всей своей протяженности, это говорит нам о такой же высокой степени симметричности, что и у квазиуглеродных нанотрубок ZnS.

Также одномерные гексагональные нанотрубки ZnS имеют найденный у квазиуглеродных нанотрубок ZnS эффект гармошки, но в отличие от вторых имеют более ограненный вид окружности.

Таблица 3 – Характеристики гексагональных нанотрубок ZnS

Примечание – *структура не является энергетически устойчивой

На рисунке 28 показан рост модельных нанотрубок ZnS гексагональной структуры. Можно видеть, что полученные гексанональные нанотрубки ZnS имеют бамбуковидное строение.

А

Б

В

Серые шарики – атомы Zn, чёрные шарики – атомы S

a – структура длиной 2.48 нм, б – структура длиной 3.10 нм, в – структура длиной 3.73 нм

Рисунок 28 – Рост открытых нанотрубок ZnS гексагональной структуры

В таблице 4 показан дипольный момент и электронная плотность гексагональных нанотрубок ZnS.

Из таблицы 4 видно, что гексагональные нанотрубки ZnS обладают незначительно большим дипольным моментом, чем квазиуглеродные нанотрубки ZnS, но судя по результатам таблицы 4 мы можем увидеть, что единственная стабильная нанотрубка ZnS не имеет такого высокого дипольного момента, как остальные. Расчётная плотность имеет высокие значения и с увеличением структурных наблюдается её незначительное увеличение.

Таблица 4 – Дипольный момент гексагональных нанотрубок ZnS

С экономической точки зрения синтез и применение открытых гексагональных нанотрубок ZnS не имеет выгоды, так как они имеют мало стабильных форм и сравнительно с другими низкий дипольный момент. Следовательно, открытые квазиуглеродные нанотрубки ZnS более перспективны для промышленного производства и применения в области наноэлектроники.

Познавательные статьи:



Техника прыжка в длину с разбега

Организация работы процедурного кабинета

Области применения синхронных машин

Оптимизация по Винеру и Калману