Моделирование закрытых нанотрубок ZnS

 

Процесс модельного построения закрытых нанотрубок концептуально не отличается от построения открытых нанотрубок. Основной проблемой является сама двухатомная природа нанотрубок ZnS так как моделирование закрывающего дефекта с помощью разноатомных нечетных сегментов невозможно. Закрытие наноструктур производилось при помощи шестисегментных частей.

На рисунке 29 показаны закрытые нанотрубок ZnS разного диаметра и квазиуглеродного строения.

 

А

Б

    

Г

В

 

Серые шарики – атомы Zn, чёрные шарики – атомы S

 

a – структура толщиной 0.66 нм, б – структура толщиной 0.94 нм, в – структура толщиной 1.04 нм, г – структура толщиной 1.15 нм

 

Рисунок 29 – Закрытые квазиуглеродные нанотрубки ZnS

На рисунке 30 показан моделируемый рост закрытых квазиуглеродных нанотрубок ZnS.

 

А

Б

В\в

 

Серые шарики – атомы Zn, чёрные шарики – атомы S

 

a – структура длиной 3.02 нм, б – структура длиной 3.92 нм, в – структура длиной 4.47 нм

 

Рисунок 30 – Процесс роста в длину закрытых квазиуглеродных нанотрубок ZnS

 

Смоделированные закрытые квазиуглеродные нанотрубки ZnS имеют такие же структурные характеристики, что и открытые квазиуглеродные наноструктуры ZnS

В таблице 5 представлены размерные и электронные характеристики закрытых квазиуглеродных нанотрубок ZnS.

 

Таблица 5 – Характеристики закрытых квазиуглеродных нанотрубок ZnS

№ п/п	Длина, нм	Толщина, нм	HOMO, эВ	LUMO, эВ	ΔEg, эВ
1	2.96	0.66	-8.57	-7.93	-0.64
2	3.69	0.66	-11.92	-6.74	-5.18
3	4.42	0.66	-9.74	-9.06	-0.68
4	3.02	0.94	-7.08	-3.96	-3.12
5	3.92	0.94	-26.58	-26.52	-0.06
6	4.47	0.94	-6.68	-5.92	-0.76
7	2.72	1.04	-7.60	-4.14	-3.46
8	3.62	1.04	-25.40	-19.55	-5.85
9	4.16	1.04	-8.50	-3.62	-4.88
10	2.61	1.15	-7.90	-4.15	-3.75
11	3.51	1.15	-19.55	-19.41	-0.14
12	4.05	1.15	-12.18	-2.46	-9.72

 

Анализируя полученные данные из таблицы 5 мы видим, что при удлинении нанотрубок ZnS их толщина не меняется на всей протяженности нанотрубок ZnS. Добавление новых гексагональных сегментов в основу наноструктуры должно значительно увеличивать толщину нанотрубок. Но мы наблюдаем интересный эффект, значительного расширения нанотрубок ZnS не происходит, нанотрубка ZnS начинает деформироваться с образованием новых угловых частей.

Электронные характеристики имеют большой диапазон значений, начиная от полупроводниковых и до диэлектрических. Имея такой широкий спектр, значений мы можем предположить, что при физико-химическом синтезе, возможно, получить нужные нам структуры лишь контролируя процесс роста наноструктур ZnS.

Результаты говорят нам о том, что закрытые квазиуглеродные нанотрубки ZnS имеют большую перспективу для промышленного производства и последующей реализации в наноэлектронике.

В таблице 6 представлены характеристики дипольного момента и расчётной плотности закрытых гексагональных нанотрубок ZnS.

 

Таблица 6 – Характеристики закрытых квазиуглеродных нанотрубок ZnS.

№ п/п	Структура, атом	Дипольный момент, Дебай	Расчетная плотность, г/см^3
1	104	15189.000	6.395
2	128	23805.000	6.367
3	152	33611.000	6.348
4	138	1.118	6.376
5	178	34231.000	6.347
6	202	44141.000	6.335
7	172	0.280	6.398
8	222	42332.000	6.362
9	252	54729.000	6.348
10	206	0.546	6.417
11	266	50253.000	6.379
12	302	65018.000	6.363

 

Анализируя данные из таблицы 6 мы можем видеть, что закрытые гексагональные нанотрубки ZnS имеют наибольший дипольный момент их всех смоделированных наноструктур.

Расчётная плотность закрытых гексагональных нанотрубок ZnS практически не менялась на протяжении всего хода экспериментального моделирования, характер изменения является нелинейным. Мы можем сделать вывод о том, что характеристики расчётной плотности одномерных протяженных нанотрубок ZnS не имеют сильно выраженной зависимости от структурно-видовых изменений.

На рисунке 31 показаны гексагональные закрытые нанотрубки ZnS разного диаметра.

 

А

Б

     

Г

В

 

Серые шарики – атомы Zn, чёрные шарики – атомы S

 

a – структура толщиной 0.64 нм, б – структура толщиной 0.83 нм, в – структура толщиной 1.11 нм, г – структура толщиной 1.48нм

 

Рисунок 31 – Гексагональные закрытые нанотрубки ZnS

В таблице 7 приведены полученные данные структурных и электронных характеристик.

Исследуя полученные расчетные данные, мы видим, что найденные до этого структурные эффекты, сохраняются и в закрытых гексагональных нанотрубках ZnS.

 

Таблица 7 – Характеристики закрытых гексагональных нанотрубок ZnS.

№ п/п	Длина, нм	Толщина, нм	HOMO, эВ	LUMO, эВ	ΔEg, эВ
1	2.35	0.64	-15.08	-12.32	-2.76
2	2.94	0.64	-9.91	-5.73	-4.18
3	3.57	0.64	-15.26	-12.37	-2.89
4	2.25	0.83	-8.65	-6.13	-2.52
5	2.84	0.83	-9.67	-8.92	-0.75
6	3.46	0.83	-6.16	-5.00	-1.16
7	2.24	1.11	0.70	1.44	*
8	2.86	1.11	-9.35	-8.36	-0.99
9	3.48	1.11	-8.18	-7.04	-1.14
10	2.08	1.48	-2.03	-1.87	-0.16
11	2.71	1.48	-7.06	-5.76	-1.30
12	3.31	1.48	-4.31	-3.69	-0.62

 

Примечание – *структура не является энергетически устойчивой

 

Электронные характеристики показывают, что нанотрубки ZnS именно закрытого гексагонального строения имеют узкозонные показатели, тогда как закрытые нанотрубки квазиуглеродного строения показывают широкозонные показатели.

Из вышесказанного можно сделать вывод о том, что для разных современных задач были смоделированы и изучены уникальные и ранее не описанные в литературе нанотрубки ZnS, которые охватывают большой диапазон характеристик. Исходя из этого, можно сделать выводы о дальнейшем широком распространении и выгоде синтеза закрытых гексагональных наноструктур ZnS.

Рост закрытых гексагональных нанотрубок ZnS в длину показан на рисунке 32.

 

А

Б

В

 

Серые шарики – атомы Zn, чёрные шарики – атомы S

 

a – структура длиной 2.25 нм, б – структура длиной 2.84 нм, в – структура длиной 3.46 нм

 

Рисунок 32 – Рост закрытых гексагональных нанотрубок ZnS

В таблице 8 представлены характеристики рассчитанного дипольного момента и электронной плотности закрытых гексагональных нанотрубок ZnS.

Характеристики дипольного момента закрытых нанотрубок ZnS показали, что они несущественно отличаются от своих открытых структуро-видовых форм, но всё равно имеют очень высокие показатели.

Электронная плотность закрытых гексагональных нанотрубок ZnS имеет очень высокие для данного соединения показатели.

 

Таблица 8 – Характеристики закрытых гексагональных нанотрубок ZnS

№ п/п	Структура, атом	Дипольный момент, Дебай	Расчетная плотность, г/см^3
1	110	15189	6.388
2	134	21407	6.363
3	158	31416	6.345
4	146	93.71	6.391
5	178	29907	6.360
6	210	39853	6.343
7	182	23337	6.404
8	222	37239	6.376
9	262	51946	6.356
10	218	27223	6.426
11	266	43818	6.383
12	314	58399	6.381

 

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 ΔE_g и в некоторых случаях не имеют энергетически стабильной формы. Закрытые наноструктуры ZnS энергетически стабильны и имеют различный диапазон значений ΔE_g. Квазиуглеродные наноструктуры ZnS имеют широкозонные полупроводниковые характеристики, гексагональные наноструктуры ZnS имеют узкозонные полупроводниковые характеристики.

Расчётная плотность открытых наноструктур ZnS меняется незначительно 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;