WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 ||

Рис. 5. Энергетические зоны нанолент фаз 1T (типа I, II) и 2H (типа III, IV, см. текст) дисульфида титана.

Дисперсия зон и распределение ПС для монослоя гда как монослой — полупроводник с зонной щелью и кристалла 1T -TiS2 [4,20–22] во многом подобны около 1.65 эВ. Изменение типа локальной атомной ко(см. табл. 2), отражая тот факт, что основные осо- ординации (1T 2H) не меняет полупроводникового бенности электронных распределений в слоистом TiS2 характера монослоя, влияя лишь на тип и величину определяются сильными ковалентно-ионными „внутри- межзонных переходов.

слоевыми“ взаимодействиями. Тем не менее электрон- Наконец, наши расчеты показали, что полная энергия ные свойства кристалла и монослоя отличаются: как 1T -TiS2-монослоя (-55.785 эВ/атом) меньше, чем для упоминалос, кристалл TiS2 является полуметаллом, то- монослоя 2H (-55.587 эВ/атом), т. е. энергетическая Физика и техника полупроводников, 2005, том 39, вып. 1098 В.В. Ивановская, Г. Зейферт, А.Л. Ивановский Рис. 6. Полная (сплошная линия) и парциальные (штриховые линии) плотности состояний наноленты 2H TiS2 типа V (см. текст).

Приведены парциальные плотности: Ti-3d (a) и S-3p состояний (b).

выгодность (в кристалле TiS2) октаэдрической коорди- эффекты структурной релаксации гораздо заметнее и нации металла будет сохраняться также для его изоли- достигают 4.5-7% (табл. 1).

рованного слоя. Представление об относительной стабильности тубулярных наноструктур TiS2 дают приводимые в табл. величины Etot. Трубки менее устойчивы, чем соответ3.2. 1T- и 2H-наноленты ствующие 1T - или 2H-монослои; в свою очередь наноРезультаты расчетов представлены на рис. 5, 6 и трубки с октаэдрической атомной конфигурацией стенок в табл. 1. Строение зон вблизи уровня Ферми для -подобные) более стабильны, чем „свернутые“ из (1T лент I, III и монослоя 1T -TiS2 подобны; ленты остаются 2H-монослоя.

полупроводниками. Отметим лишь понижение энергии Рассмотрим величины энергии деформации (Est), котонизшей квазиплоской свободной Ti-3d(t2g)-зоны. Эффект рые определены как разница полных энергий (в расчете связан с уменьшением расщепления eg-t2g состояний на атом) между НТ и соответствующей нанолентой:

атомов титана на срезе наноленты за счет частичного Est = Etot(TiS2-нанотрубка) - Etot(TiS2-нанолента) нарушения их ближнего окружения.

С другой стороны, зоны 2H-TiS2-ленты (IV) пересека(табл. 1). Данные величины позволяют судить об отют EF (рис. 5), отражая возникновение одномерных (1D) носительной роли конкурирующих энергетических эфметаллических состояний, аналогичных обнаруженным фектов, определяющих предпочтительность формировадля изоструктурных 2H-MoS2-лент [24]. Анализ состава ния 1D планарных (наноленты) или трубчатых наноэтих зон (парциальные ПС, рис. 6) свидетельствует, структур. Для первых дестабилизирующим фактором что они образованы в основном 3d-состояниями цепей являются „оборванные“ связи для краевых атомов. Для атомов титана на срезе ленты. Кроме того, опреде- нанотрубок этот эффект исключен, однако образоваленный вклад вносят 3p-состояния двух параллельных ние цилиндрических структур требует дополнительных цепей атомов серы, расположенных по краям ленты, энергетических затрат на деформацию плоского слоя.

отщепляющихся от общей гибридной Ti-3d- S-3p ва- Интересно, что значения Est для 1T - и 2H-подобных НТ лентной зоны. Как и в случае монослоев, октаэдрическая оказываются существенно различными. Видно (табл. 1), конфигурация Ti оказывается более предпочтительной что 1T -TiS2-наноленты стабильнее, чем НТ, однако велии 1T -подобные наноленты более устойчивы, чем их чины Est малы и уменьшаются с ростом диаметра трубок.

2H-аналоги (табл. 1). Можно полагать, что данная тенденция, а также дополнительный вклад в стабилизацию нанотрубок за счет взаимодействий Ван-дер-Ваальса между стенками со3.3. 1T- и 2H-нанотрубки седних коаксиальных „молекулярных“ (S-Ti-S) цилинВ результате минимизации Etot по процедуре DFT-TB дров приводят к формированию преимущественно мнодля (20, 0) и (20, 20) 1T - и 2H-TiS2-НТ найдено, что все гослойных TiS2-НТ сравнительно больших диаметров, трубки являются стабильными, и их оптимизированные наблюдаемых экспериментально [11–13]. Несмотря на структуры сохраняют цилиндрическую геометрию в от- то что Est (20, 20) 2H-TiS2-трубки отрицательна (т. е. ее личие, например, от нанотрубок NiCl2 [33]. Диаметры образование выгодно в сравнении с соответствующей оптимизированных 1T -TiS2-НТ отличаются от старто- лентой IV, табл. 1), образование 2H-TiS2-НТ в сравнении вых, получаемых при „свертке“ соответствующих нано- с 1T -подобными трубками мало вероятно, поскольку они лент на 0.3-0.6%. Для НТ метастабильного 2H-TiS2 имеют меньшую стабильность (Etot) (см. выше).

Физика и техника полупроводников, 2005, том 39, вып. Электронное строение наноструктур дисульфида титана: монослои, наноленты, нанотрубки Рис. 7. Энергетические зоны armchair (20, 20) нанотрубок на основе фаз 1T (a) и 2H (b) дисульфида титана.

Обсудим электронные свойства TiS2-нанотрубок мерные гетеропереходы полупроводник-металл как ва(см. рис. 7 и табл. 1). Видно, что все трубки — полупро- риант известных нанотубулярных материалов на основе водники, причем с ростом размера D их запрещенная углеродных нанотрубок (см. [18,19,34]).

щель возрастает. Тип структуры стенок (1T или 2H) Работа выполнена по Программе поддержки веи конфигурация трубок (zigzag или armchair) наибодущих научных школ Российской Федерации, грант лее заметно влияют на топологию зон, расположенных НШ 829.2003.3 и при финансовой поддержке РФФИ вблизи EF, определяя прямой или непрямой типы пере(грант № 04-03-32111) и фонда GIF (German-Israel ходов (рис. 7). Общей асимптотикой зонной щели (ЗЩ) Foundation).

нанотруб с ростом их диаметров будут являться величины ЗЩ соответствующих 1T - или 2H-молекулярных монослоев.

Список литературы [1] Г.В. Самсонов, И.В. Виницкий. Тугоплавкие соединения 4. Заключение (Справочник).

[2] L.F. Mattheiss. Phys. Rev. B, 8, 3719 (1973).

В настоящей работе предложены атомные модели и [3] D.G. Clerc, R.D. Poshusta, A.C. Hess. J. Phys. Chem., 100, проведены зонные DFT-TB-исследования электронного 15 735 (1976).

строения и факторов устойчивости квазиодномерных [4] Z.Y. Wu, F.L. Lemoigno, P. Gressier, G. Ouvrard, P. Moreau, J. Rouxel, C.R. Natoli. Phys. Rev. B, 54, 11 009 (1996).

плоских (наноленты) и цилиндрических (нанотрубки) [5] A. Zettl. Adv. Mater., 8, 443 (1996).

наноструктур в сравнении с двумерной (монослой) и [6] P.M. Ajayan, O.Z. Zhou. Carbon Nanotubes, 80, 391 (2001).

трехмерной (кристалл) формами TiS2. Впервые выпол[7] В.В. Покропивный. Порошковая металлургия, № 9/10, 50;

нен теоретический анализ возможности фазовых пеПорошковая металлургия, № 11/12, 51 (2001).

реходов (1T 2H) в 2D и 1D TiS2-наноструктурах.

[8] R. Tenne. Chemistry-Europ. J., 8, 5297 (2002).

Показано, что октаэдрический тип атомного окружения [9] А.Л. Ивановский. Успехи химии, 71, 203 (2002).

(присущий устойчивой 1T -фазе кристаллического TiS2) [10] C.N.R. Rao, M. Nath. Dalton Transact., 1, 1 (2003).

для рассмотренных наноструктур сохраняется. В от[11] J. Chen, S.L. Li, Z.L. Tao, F. Gao. Chem. Commun., 8, личие от кристалла TiS2, все стабильные 2D и 1D (2003).

наноструктуры являются полупроводниками.

[12] J. Chen, Z.L. Tho, S.L. Li. Angew. Chemie-Intern. Edit., 42, 2147 (2003).

Ближайшей задачей является изучение влияния на [13] J. Chen, S.L. Li. Z.L. Tao, Y. Shen, C.X. Cui. J. Amer. Chem.

электронные свойства TiS2-нанотрубок числа составляюSoc., 125, 5284 (2003).

щих их молекулярных слоев, а также слоевых дефек[14] G. Seifert, H. Terrones, M. Terrones, S. Jungnickel, тов. Одним из интересных направлений дальнейшего T. Frauenheim. Phys. Rev. Lett., 85, 146 (2000).

развития теории TiS2 и нанотрубок других дисульфидов [15] G. Seifert, H. Terrones, M. Terrones, T. Frauenheim. Sol. St.

d-металлов может стать моделирование структуры и Commun., 115, 635 (2000).

электронных свойств неизвестных пока многослойных [16] G. Seifert, H. Terrones, M. Terrones, S. Jungnickel, „композитных“ нанотрубок, сочетающих в своем состаT. Frauenheim. Sol. St. Commun., 114, 245 (2000).

ве цилиндры различных дисульфидов d-металлов. На[17] H.I. Starnberg. Modern Phys. Lett., 13, 455 (2000).

пример, нетрудно предположить, что в „композитных“ [18] The Science and Technology of Carbon Nanotubes, eds.

TiS2/NbS2-нанотрубках можно реализовать квазиодно- K. Tanaka, T. Yamabe, K. Fuku (Oxford, Elsevier, 1999).

Физика и техника полупроводников, 2005, том 39, вып. 1100 В.В. Ивановская, Г. Зейферт, А.Л. Ивановский [19] P.J.F. Harris. Carbon Nanotubes and Related Structures: Electronic properties of TiSNew Materials for the Twenty-first Century (Cambridge, nanostructures: monolayers, nanostripes Cambridge University Press, 1999).

and nanotubes [20] F. Krumeich, H.J. Muhr, M. Niederberger, F. Bieri, R. Nesper.

Z. Anorgan. Allgem. Chem., 626, 2208 (2000).

V.V. Ivanovskaya, G. Seifert, A.L. Ivanovskii [21] H.-J. Muhr, F. Krumeich, U.P. Schonholzer, F. Bieri, Institute of Solid State Chemistry, M. Niederberger, L.J. Gauckler, R. Nesper. Adv. Mater., 12, Ural Branch of the Russian Academy of Sciences, 231 (2000).

[22] M. Niederberger, H.J. Muhr, F. Krumeich, F. Bieri, 620219 Ekaterinburg, Russia D. Gunther, R. Nesper. Chem. Mater., 12, 1995 (2000).

Institut fur Physikalische Chemie, [23] G.T. Chandrappa, N. Steunou, S. Cassaignon, C. Bauvais, Technische Universitt, P.K. Biswas. J. Livage. J. Sol-Gel Sci. Technol., 26, D-01062 Dresden, Deutschland (2003).

[24] M.V. Bollinger, J.V. Lauritsen, K.W. Jacobsen, J.K. Nrskov,

Abstract

The atomic models of 1T and 2H-like TiS2 quasiS. Helveg, F. Besenbacher. Phys. Rev. Lett., 87, 196 one-dimensional (1D) planar (stripes) and cylindrical (nanotubes) (2001).

nanostructures have been proposed and the electronic properties [25] D. Porezag, Th. Frauenchaim, Th. Kohler, G. Seifert, and stability conditions have been studied by means of DFT-based R. Kascher. Phys. Rev. B, 51, 12 947 (1995).

tight-binding method in comparison with two-dimensional (2D, [26] C.M. Fang, R.A. de Groot, C. Haas. Phys. Rev. B, 57, (1997). molecular monolayers) and crystalline forms of TiS2. The possibil[27] S. Sharma, T. Nautiyal, G.S. Singh, S. Auluck, P. Blacha, ity of 1T 2H phase transition in TiS2 is analyzed for the first C. Ambrosch-Draxl. Phys. Rev. B, 59, 14 833 (1999).

time. Our calculations showed that the octahedral coordination [28] H. Matrinez, Y. Tison, I. Baraille, M. Loudet, D. Gonbeau.

of Ti atoms (inherent for the stable crystalline TiS2 phase) J. Electron Spectr. Related Phenom., 125, 181 (2002).

for 2D, 1D nanostructures is also more favorable. Band structure [29] A. Klein. S. Tiefenbacher, V. Eyert, C. Pettenkofer, W. Jaegercalculations show that unlike metallic-like 3D TiS2 all stable mann. Phys. Rev. B, 64, 205 416 (2001).

titanium disulfide nanostructures are uniformly semiconducting.

[30] K. Kobayashi, J. Yamauchi. Phys. Rev. B, 51, 209 (1995).

The trends in electronic properties of various TiS2 nanostructures [31] P. Raybaud, H. Hafner, G. Kresse, H. Toulhoat. Phys. Rev.

are discussed.

Lett., 80, 1481 (1998).

[32] Y.S. Kim, J. Li, I. Tanaka, Y. Koyama, H. Adachi. Mater. Trans.

JIM, 41, 1088 (2000).

[33] Y.R. Hacohen, R. Popovitz-Biro, Y. Prior, S. Gemming, G. Seifert, R. Tenne. Phys. Chem. Chem. Phys., 5, (2003).

[34] А.Л. Ивановский. Квантовая химия в материаловедении. Нанотубулярные формы вещества (Екатеринбург, Изд-во УрО РАН, 1999).

Редактор Т.А. Полянская Физика и техника полупроводников, 2005, том 39, вып.

Pages:     | 1 ||



© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.