WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 ||

Такое распределение заряда свидетельствует о том, что атомы металлов являются донорами электронов для кремниевой решетки. Отметим, что заряд четвертого атома кремния является отрицательным и довольно существенным по модулю, -0.742e в кластере NaSi20 и -0.228e в кластере KSi20 (см. рис. 1, b и таблицу), тогда как остальные атомы кремния имеют либо положительный, либо небольшой отрицательный заряд. Этот факт легко объяснить тем, что расстояние между четвертым атомом кремния и атомом металла минимально из всех расстояний Me–Si, за счет чего перенос заряда Рис. 2. Экспериментальный [5] (1) и теоретический (2) фомежду этими атомами осуществляется легче, чем между тоэлектронные спектры кластера Si-. 3 —вклад s-состояний, атомом металла и другими атомами кремния. 4 —вклад p-состояний кремния.

Физика и техника полупроводников, 2006, том 40, вып. Атомная и электронная структура кремниевых и кремний-металлических наночастиц... Si в этих кластерах идентичны. В высокоэнергетической части валентной полосы существенно преобладает вклад p-состояний Si, в низкоэнергетической области несколько больше относительный вклад s-состояний Si.

Таким образом, s- и p-состояния кремния гибридизованы слабее, чем в кластере Si20, и их распределение в валентной полосе напоминает структуру валентной зоны в кристаллическом кремнии cd-Si и в клатратах Si46 и Si136. Такая ситуация становится понятной, если учесть, что в кремниевой решетке кластеров Na(K)Si20 каждый атом кремния окружен тремя ближайшими соседями.

Поэтому связи Si–Si не являются насыщенными, и валентные s-состояния кремния расположены преимущественно в низкоэнергетической части валентной полосы, а p-состояния — в высокоэнергетической.

В кремний-металлических кластерах, как и в кластере Si20, в области незаполненных электронных состояний доминирует вклад p-состояний кремния. Заметно также влияние металлических p-состояний. При этом p-состояния Na локализованы при более высоких энергиях, чем p-состояния калия; s-состояния металла вносят небольшой вклад в высокоэнергетическую область полосы проводимости.

По сравнению с кремниевым кластером, в кластерах NaSi20 и KSi20 значительно сужается валентная полоса:

в кремний-металлических кластерах ее ширина составляет 14 эВ против 20 эВ в кластере Si20. Ширина щели HOMO–LUMO в кремний-металлических кластерах увеличивается по сравнению с кремниевым кластером: в NaSi20 она составляет 4.78 эВ, в KSi20 —4.28 эВ.

6. Заключение Рис. 3. Полные (1) и парциальные (2–4) плотности электронных состояний в кластерах Si20, Si-, NaSi20 иKSi20. 2 —вклады 1. Устойчивая фуллереноподобная структура для сиs-состояний, 3 — p-состояний Si, 4 —вкладыs-состояний, 5 — стемы из 20 атомов кремния невозможна для кремниеp-состояний металла.

вого кластера Si20, но достигается путем стабилизации кремниевого додекаэдра атомами щелочных металлов (Na или K).

атом Si имеет тетраэдрическое окружение, т. е. связан с 2. Перенос заряда в кремниевом кластере осущечетырьмя соседними атомами. В кластерах Si20 и Si20 ствляется как к внутренним атомам кремния, так и на шесть атомов, лежащих в центральном слое, имеют по поверхности кластера. В кремний-металлических кластешесть ближайших соседей. За счет этого связь между рах атомы металла являются донорами электронов для ними более насыщенная, и s-состояния смещаются вверх кремниевого сфероида.

по энергии.

3. Вклад валентных s- и p-состояний кремния в Важной характеристикой электронной структуры клакластере Si20 в полную плотность электронных состостеров является энергетическое расстояние между нижяний примерно равнозначен во всей валентной полосе.

ней заполненной орбиталью (HOMO-орбиталью) и верхВ кластерах NaSi20 и KSi20 у потолка валентной полосы ней незаполненной орбиталью (LUMO-орбиталью), т. е.

доминирует вклад p-состояний Si, а при более низких ширина щели HOMO–LUMO. В кластере Si20 это расстоэнергиях становится значительным вклад s-состояний.

яние составляет 3.20 эВ, а в анионном кластере 3.00 эВ.

Причиной такого отличия мы считаем особенности атомной структуры кластеров.

4. Профили полной и парциальной плотностей элек5.2. KSi20 и NaSiтронных состояний в кластерах NaSi20 и KSi20 идентичПлотности электронных состояний в кластерах KSi20 ны. Вклад состояний атомов металлов в валентной полои NaSi20 показаны на рис. 3. Профили полной плотности се кластеров пренебрежимо мал. В полосе проводимости состояний и парциальных плотностей s- и p-состояний заметен вклад p-состояний Na или K.

Физика и техника полупроводников, 2006, том 40, вып. 1462 Н.А. Борщ, Н.С. Переславцева, С.И. Курганский Работа выполнена при финансовой поддержке Амери- Geometrical and electronic structure канского фонда гражданских исследований и развития of silicon and silicon-metal nanoparticles для независимых государств бывшего Советского Союза Si20, Si-, NaSi20 and KSi(CRDF) и Министерства образования и науки РФ (грант N.A. Borsch, N.S. Pereslavtseva, S.I. Kurganskii Y2-P-10-11 программы „Фундаментальные исследования и высшее образование“ (BRHE)).

Voronezh State University, 394006 Voronezh, Russia Список литературы

Abstract

Results on geometrical structure optimization and electronic structure calculation of Si20, Si-, NaSi20 and KSi[1] H.W. Kroto, J.R. Heath, S.C.O. Brien, R.F. Curl, R.E. Smalley.

clusters are presented. In calculations, semi-empirical methods Nature, 318, 162 (1985).

PM3 and AM1 have been used. Calculations show that atoms [2] H. Huira, T. Miyazaki, T. Kanayama. Phys. Rev. Lett., 86, of Na and K have a stabilizing effect on the fullerenlike silicon 1773 (2001).

structure. Influence of the clusters geometry on their electronic [3] A.K. Singh, V. Kumar, T.M. Briere, Y. Kawazoe. Nano Lett., structure has been analyzed.

2, 1243 (2002).

[4] J.S. Kasper, P. Hagenmuller, M. Pouchard, C. Cros. Science, 150, 1713 (1965).

[5] M. Astruc Hoffmann, G. Wriggle, B.v. Issendorff, J. Muller, G. Gantefor, H. Haberrland. Eur. Phys. J., D16, 9 (2001).

[6] M.J.S. Dewar, E.G. Zoebisch, E.F. Healy, J.J.P. Stewart.

J. Amer. Chem. Soc., 107, 3902 (1985).

[7] J.J.P. Stewart. J. Comput. Chem., 10, 209 (1989).

[8] J.J.P. Stewart. J. Comput. Chem., 10, 221 (1989).

[9] Полуэмпирические методы расчета электронной структуры, под ред. Дж. Сигала (М., Мир, 1980) т. 1.

[10] С.И. Курганский, Н.А. Борщ. ФТП, 38, 580 (2004).

[11] И.П. Шаскольская. Кристаллография (М., Высш. шк., 1976).

[12] G.K. Ramachandran, J. Dong, J. Diefenbacher, J. Gryko, R.F. Marzke, O.F. Sankey, P.F. McMillan. J. Sol. St. Chem., 154, 716 (1999).

[13] G.K. Ramachandran, P.F. McMillan. J. Sol. St. Chem., 154, 626 (2000).

[14] Kai-Ming Ho, A.A. Shvartsburg, B. Pan, Z.-Y. Lu, C.-Z. Wang, J.G. Wacker, J.L. Fye, M.F. Jarrold. Nature, 392, 582 (1998).

[15] L. Mitas, J.C. Grossman, I. Stich, J. Tobik. Phys. Rev. Lett., 84, 1479 (2000).

[16] Bao-xing Li, Pei-lin Cao. J. Phys.: Condens. Matter, 13, 10 (2001).

[17] F. Brunet, P. Melinon, A. SanMiguel, P. Keghelian, A. Perez, A.M. Frank, E. Reny, C. Cros, M. Pouchard. Phys. Rev. B, 61, 16 550 (2000).

[18] F. Tournus, B. Masenelli, P. Melinon, D. Connetable, X. Blase.

Phys. Rev. B, 69, 035 208 (2004).

[19] P. Melinon, P. Keghelian, X. Blase, J. Le Brusc, A. Perez, E. Reny, C. Cros, M. Pouchard. Phys. Rev. B, 58, 12 (1998).

[20] K. Moriguchi, M. Yonemura, A. Shintani, S. Yamanaka. Phys.

Rev. B, 61, 9859 (2000).

[21] A. Moewes, E.Z. Kurmaev, J.S. Tse, M. Geshi, M.J. Ferguson, V.A. Trofimova, Y.M. Yarmoshenko. Phys. Rev. B, 65, 153 (2002).

Редактор Т.А. Полянская Физика и техника полупроводников, 2006, том 40, 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.