Публикация научных статей.
Вход на сайт
E-mail:
Пароль:
Запомнить
Регистрация/
Забыли пароль?
Научные направления
Поделиться:
Разделы: Физика, Нанотехнологии, Оптика
Размещена 22.05.2021. Последняя правка: 12.06.2021.
Просмотров - 235

ОПТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА НАНОКРИСТАЛЛОВ СИСТЕМЫ TiO2-xNx

Burhonzoda Amondulloi Saidali

-

Таджикский технический университет имени академика М.С.Осими

Ассистент

Нематов Дилшод Давлатшоевич, Старший преподаватель кафедры физики, Таджикский технический университет имени академика М.С. Осими; Ходжахонов Идрис Тураевич, доцент кафедры физики, Таджикский технический университет имени академика М.С. Осими; Бобошеров Давлатмурод Ишалиевич, Старший преподаватель кафедры физики, Таджикский технический университет имени академика М.С. Осими


Аннотация:
Наноразмерные кристаллы на основе диоксида титана (TiO2) вызвали большой интерес среди исследователей благодаря своей интересной механической и оптической характеристики. В этом исследовании, чтобы изучить его дальнейшие возможности оптические свойства легированного 6,41мол.%, 12,83% мол.%, 19,24 мол.% и 25,65 мол.% азотом диоксида титана были изучены с реализацией квантово-химических расчетов в рамках теория функционала плотности (ТФП)-Wien2k-mBJ. Показано, что, легирование N приводит к улучшению оптоэлектронных свойств тонких пленок и наночастиц TiO2


Abstract:
Titanium dioxide (TiO2) nanosized crystals have attracted great interest among researchers due to their interesting mechanical and optical characteristics. In this study, in order to study its further possibilities, the optical properties of titanium dioxide doped with 6.41 mol.%, 12.83 mol.%, 19.24 mol.% And 25.65 mol.% Nitrogen were studied with the implementation of quantum chemical calculations. within the framework of the density functional theory (DFT) -Wien2k-mBJ. It is shown that doping with N leads to an improvement in the optoelectronic properties of thin films and TiO2 nanoparticles.


Ключевые слова:
диоксид титана; легирование; электронные свойства; запрещенная зона; квантово-механические расчеты; оптические свойства; видимая область

Keywords:
titanium dioxide; alloying; electronic properties; band gap; quantum mechanical calculations; optical properties; visible region


        УДК 538.9:538.94

        1. Введение
     Строгая потребность в недорогих и эффективных оптоэлектронных устройств привело к тому, что все большее внимание уделяется целому ряду различных исходные материалы наряду с разработкой метода характеризуют эти материалы. Исследование, характеристика и измерение оптических свойств наноматериалов привлекли значительное внимание. В последнее время большое внимание уделяется получению полимерных полупроводников и других нанокомпозитных материалов, имеющих потенциальное применение в различных устройствах оптоэлектроники. Наноматериалы демонстрируют множество необычных и интересных оптических свойств, которые могут значительно отличаться от свойств, присущих тому же массивному материалу.

         2. Исследуемые материалы и вычислительные методы
    Для исследование оптических свойств наноструктур TiO2-xNx с различными концентрациями допантов, нами были выполнены кванто-механические расчеты в рамках ТФП и применением обменно-корреляционном приближении mBJ с использованием пакет Wien2k[1].
    Кристаллическая структура этой гексагональной фазы TiO2 используемых  в наших расчетах принадлежит пространственной группой P6_3M / MC, аналогичных графиту. Наши расчеты выполняются на основе данных о кристаллической решетке вещества в виде сif-файлов, полученных и упакованных из экспериментальных измерений, таких как рентгеноструктурный анализ (X-Ray). Данные о кристаллической решетке TiO2 в природном виде были взяты из американской кристаллографической базы данных сайта Materials Project [2].
    Согласно ТФП и опции пакета Wien2k каждый атом окружен сферой Маффтина (Mufftin; MT) и при этом общее пространство делится на две области. Одна область состоит из внутренней части этих неперекрывающихся сфер, а вторая часть пространства имеет форму промежуточной области. Радиус сферой Маффтина (RMT) для Ti, O и N был принят, соответственно, 1.87а0, 1,69 а0 и 1.72а0, где а0 является Боровским радиусом. При этом плоская волновая функция может быть определена как функция атомного типа в любой атомной сфере и описывается базисом плоской волны в промежуточных положениях. Валентные волновые функции внутри МТ-сферы раскладывались до lmax = 10 (максимальный порядок сферической гармоники, используемый в разложении), а плотность заряда раскладывалась в ряд Фурье до Gmax (бор-1) (граница суммирования по векторам обратной решетки).
Отсечка плоской волны Kmax была выбрана равной 3.0 Ry1/2 (Ry – энергия Ридберга), чтобы изолировать атомные ядра от валентных состояний.
    Для достаточно хорошей сходимости в параметрах полной энергии кристаллической решетки вся оптимизация атомной геометрии гексагональной элементарной ячейки TiO2 была выполнена в первой зоне Бриллюэна с использованием k-точек, сгенерированных разнообразными параметрами сетки 2 × 2 × 1 (96 атом; 32 атом титана и 64 атом кислорода) по схеме Монкхорста – Пака (MP), настроенными на энергию отсечки 400 эВ. Условием сходимости самосогласованных вычислений являлась неизменность полной энергии системы с точностью до 0.0001 mRy, а сходимость заряда достигала - 0.001 |e|, где е заряд электрона.

      3. Результаты и их обсуждение
     В этой части представлены несколько оптических параметров 6,41мол.%, 12,83% мол.%, 19,24 мол.% и 25,65 мол.% азотом диоксида титана, которые впервые определяются с помощью метод высокоточной полностью электронной полнопотенциальной линеаризованной расширенной плоской волны из первых принципов. Оптические параметры материала обычно объясняют поведение материала при воздействии электромагнитного излучения, и они также помогают в прогнозировании конфигурации полосовой структуры. Понимание оптических свойств материала имеет важное значение для оценки его полезности и применимость для оптоэлектронных приложений [3].
    Для количественного описания указанных параметров необходимо оценить диэлектрическую функцию. Диэлектрическая функция - это отношение диэлектрической проницаемости материала к диэлектрической проницаемости свободного пространства, тогда как диэлектрическая проницаемость - это мера сопротивления материала, когда электрическая поле индуцируется в материале. Все диэлектрические материалы являются изоляторами, но не все изоляторы диэлектрическими [4]. Диэлектрическая функция состоит действительной (ɛ1) и мнимой (ɛ2) частей. Действительная часть показывает накопленную энергию материала, которую можно выдавать при нулевой энергии или пределе нулевой частоты, и которая считается внутренней характеристикой любого материала. Оптические свойства системы TiO2-хNх были рассчитаны с использованием пакета WIEN2k. На рисунках 1 (а) и 1 (б) показаны действительная и мнимая части диэлектрической проницаемости ε1 и ε2 соответственно для всего семейства исследуемых систем.
 Рисунок 1 (а, б).   Действительная (а) и мнимая часть (б) диэлектрической                              проницаемости нанокристаллов системы TiO2-хNх

Коэффициент поглощения (α) материалов показывает, какой тип отклика будут проявлять эти материалы, когда на них будут падать фотоны и определяет, насколько глубоко в материале поглощается свет с определенной энергии. На рисунке рис. 2  показано зависимость коэффициент поглощения света от энергии падающих фотонов. 
  
    
Рисунок 2.   Графики зависимости коэффициента оптического поглощения (α) от энергии для системы TiO2-хNх

     Из  рисунка 2 видно что, после легирования азота в структуру диокцида титана  оптические характеристики систем улучшается, то ест с увелечением концентрации легированных ионов азота, коэффициент поглощения в сравнение с нелегированной TiO2, соответственно увелечивается. Для TiO2, легированного 12,5 ат.% N, активность наблюдается также при ИК-излучении. С увеличением содержания N в TiO2 наблюдается увеличение поверхностного электрического заряда TiO2 за счет атомов N, которое, с другой стороны, полезно для легкости переноса заряда между TiO2 и N. Следовательно, это приводит к улучшению оптических свойств TiO2, которые является отличным аспектом для создания различных оптоэлектронных устройств.
     Полученные результаты могут способствовать пониманию некоторых особенностей их оптических свойств, важных для практического применения изучаемых систем, и могут оказаться интересными для исследователей, ищущих материалы с заданными оптическими характеристиками. Полученные результаты удовлетворяют критериям для того, чтобы сделать TiO2, легированный N, возможным материалом для сенсибилизированного красителя солнечного элемента.

     На основе  действительной (ɛ1) и мнимой (ɛ2) частями диэлектрических функций можно вычислить другие оптические свойства материала, таких как показателем преломления (n) и коэффициентов экстинкции (k). На рисунке 4(a,b) показаны графики зависимости показателем преломления и коэффициент экстинкции от энергии падающих фотонов для всех нанокристальных систем TiO2-хNх.  Из рисунки видно что, с увелечением концентрации легированных ионов азота, показател преломления и коэффициент экстинкции в сравнение с нелегированной TiO2, соответственно увелечивается.    

Рисунок 4(a,b).  Графиков зависимости показателя приломления (a) и  коэфицент энстикции (b) от энергии фотонов    
 
     Полученные данные показали, что расчетные данные методом ТФП представляют интерес для изучения оптических свойств гексагонального TiO2, легированного азотом, поскольку закономерности изменения оптических свойств TiO2 хорошо согласуются с ранее полученными результатами для TiO2 в структуре анатаза.
         4. Выводы и перспективы
     Изучение свойств материалов открывает возможность синтеза и разработки материалов с оптимальными характеристиками для использования в оптоэлектронных устройств. Для реализации таких шагов, в частности изучения влияния дефектов или примесей на свойства твердых тел используются различные экспериментальные и вычислительные методы.
  В настоящее время квантово-механические расчеты атомов и молекул позволяют прогнозировать свойства еще не синтезированных молекул. В этой работе с помощью квантово-механических расчетов исследуются оптические свойства ряда материалов, выращивание которых затруднено из-за их малых размеров, а также затруднено экспериментальное изучение соответствующих им физико-химических свойств. Расчетные оптические свойства, состоящие из мнимой и действительной частей диэлектрической проницаемости, а также коэффициентов поглощения, показали, что легирование диоксида титана приводит к улучшению оптических свойств TiO2-xNx по сравнению с чистым TiO2.
  Полученные результаты могут быть использованы другими исследователями для моделирования структуры веществ, которые предполагается синтезировать, а также для определения таких важных характеристик, как «состав-структура-свойство».

Библиографический список:

1. WIEN2k. An Augmented PlaneWave + Local Orbitals Program for Calculating Crystal Properties / Peter [et al.]. Vienna/Austria, 2014, 240 p.
2. Materials Project [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://materialsproject.org/, свободный. – (дата обращения: 21.03.2021).
3. Optical Properties of Condensed Matter and Applications / Edited by J. Singh, John Wiley & Sons. 2006. 434 p.
4. High dielectric constant in ACu3Ti4O12 and ACu3Ti3FeO12 phases / Subramanian M.A. [et al.] // J. Solid State Chem. 2000. V. 151, №3. Pp. 35-38.




Рецензии:

23.05.2021, 12:49 Гиёсов Сайфиддин Сафаралиевич
Рецензия: В статье с использованием метода теории функционала плотности получены значительные теоретические результаты, которые могут служить базовыми и прогностическими данными для экспериментаторов при исследовании оптических и транспортных свойств наночастиц на основе тонких пленок диоксида титана и других наночастиц. С другой стороны, использование нанокристаллов, таких как диоксид титана, в конструкции солнечных батарей - одна из самых актуальных и важных проблем современности и требует всестороннего внимания.Конечно, данная статья, как и другие научные статьи, не лишена недостатков, но, что наиболее важно, авторы исследуют проблему повышения поглотитильной способности и, соответственно, эффективности преобразования энергии для нанокристаллов диоксида титана, а также определили оптимальную концентрацию легирования азота в супперячейке диоксида титана, при которой абсорбционная способность диоксида титана достигает максимума. Подобные научно-практические статьи расширяют аудиторию журнала и повышают репутацию журнала.Рекомендую опубликовать статью в журнале sci-article.

23.05.2021 17:17 Ответ на рецензию автора Burhonzoda Amondulloi Saidali:
Уважаемый Гиёсов Сайфиддин Сафаралиевич! Спасибо за положительный отзыв. Надеюсь, что статья будет полезным, прежде всего для экспериментаторов.



Комментарии пользователей:

Оставить комментарий


 
 

Вверх