Сборник материалов VIІІ международной научной конференции студентов и молодых ученых «Наука и образование 2013»



Pdf көрінісі
бет28/89
Дата03.03.2017
өлшемі15,22 Mb.
#7263
1   ...   24   25   26   27   28   29   30   31   ...   89

Рисунок 3. Спектр короткоживущего (1, 2

и долгоживущего компонентов ИКЛ (3) при 

300К (1) и при 15 К (2,3) кристалла LiF-OH 

облученные при 200 К.  

Рисунок  4.  Температурная  зависимость 

величины  характеристического  времени 

затухания ИКЛ в кристалле LiF-OH 

 

Итак,  в  кристаллах  содержащих  кислород  присутствуют  полосы  в  области  3.1  эВ  в 



спектрах  ИКЛ.  Это  полоса  обусловлен  атомарным  ионом  кислорода  в  виде  О

2-



расположенный в регулярных узлах решетки, как это доказано для  кристалла LiF-O в [12]. 

Этот  центр  обладает  сцинтилляционными  свойствами:  ее  световыход  есть  величина 

постоянная в интервале доз выше (10

2

-10



4

) Гр и в области температур 15-250К.  

Активаторные кислород-водородные центры, оптически активные в области 0.45 эВ, 

присутствуют только в кристаллах LiF-ОН (кристаллы LiF и LiF-O прозрачны в этой области 

спектра.)  Этот  тип  дефектности,  в  отличие  от  описанной  выше,  под  действием  радиации 

претерпевает  изменения,  приводящие  к  следующим  результатам:  1)  к  уменьшению 

интенсивности    полос  в  области  0.45  эВ;  2)  к  возникновению  новой  широкой  полосы  в 

области  0.27  эВ;  3)  к  образованию  молекулярных  ионов  кислорода  О

2



,  о  присутствии 



которых  свидетельствует  появление  ЭКС.  Как  и  в  других  ЩГК  [например,13],  процесс 

радиационного создания ионов О

2



 оказался термоактивированным и в кристаллах LiF-OH.  



Выводы. 

С  использованием  техники  измерения  с  высоким  временным  и    спектральным 

разрешением при исследовании люминесценции кислородсодержащих кристаллов LiF, LiF-О 

и  LiF-OH  нами  установлено  присутствие  во  всех  исследованных кристаллах  активаторного 

кислородного  центра,  представляющего  собой  ион  О

2-

  в  узле  решетки  с  излучательным 



переходом в области 3.1 эВ.  

187 

Другой  тип  активаторных  центров  в  виде  водород  -  кислородных  соединений  ОН



ООН,  Н



2

О

2



  с  поглощательными  переходами  в  области  0.45  эВ  присутствуют  только  в 

кристаллах LiF-OH. Этот тип дефектности под действием радиации приводит к образованию  

молекулярных ионов кислорода О

2



Установлено,  термоактивированный  процесс  создания  молекулярных  ионов  О

2



,  в 



кристалле LiF-OH. 

 

Список использованных источников 

1

 

Nikl  M.,  Laguta  V.,  Vedda  А.  Complex  oxide  scintillators:  Material  defects  and  scintillation 



performance // Phys. Stat. Sol.(b). – 2008. – V. 245, № 9. – P. 1701-1722. 

2

 



Слободин Б.В., Сурат Л.Л., Самигулина Р.Ф., Ищенко А.В., Шульгин Б.В., Черепанов А.Н. 

Термохимия  и  люминесценция  двойных  пированадатов  M+2M+2V2O7  //  Неорганические 



материалы. – 2010. – Т. 46, № 5. – С. 590-597.  

3

 



Антонов-Романовский  В.В.  Кинетика  фотолюминесценции  кристаллофосфоров.  –  М.: 

Наука, 1966. – 324 с. 

4

 

Фок М.В. Введение в кинетику люминесценции кристаллофосфоров. – М.: Наука, 1964. – 



283 с. 

5

 



Лисицын  В.М.,  Корепанов  В.И.  Спектральные  измерения  с  временным  разрешением: 

учебное пособие. – Томск: Изд-во ТПУ, 2007. – 94 с. 

1.

 

6. Stoebe T.G. Distribution of hydrolic ions in doped alkali halide crystals // J.Phys. Chem. Sol. 



– 1970. – V. 31, № 6. – Р. 1291-1294. 

2.

 



7.Wedding В., Klein M. V., Infrared Absorption of the Hydroxyl Ion in Alkali Halide Crystals // 

Phys. Rev. – 1969. – V.177, №3. – P.1274-1288  

3.

 

8.Накамото  К.  ИК-спектры  и  спектры  КР  неорганических  и  координационных 



соединений. М.: Мир. 1991. – 381 с.. 

4.

 



9.Архангельская В.А., Гусева Е.В., Зингер Г.М., Королев Н.Е., Рейтеров В.М. //Оптика и 

спектр. 1986. T.61. №3. -C. 542-549.  

5.

 

10.Лисицына  Л.А.,  Олешко  В.И.,  Путинцева  С.Н.,  Лисицын  В.М.    //Опт.  и  спектр.  2008. 



Т.105, - С. 531-537. 

6.

 



11. Лисицына Л.А., Корепанов В.И., Елисеев А.Е., Даулетбекова А.К., Абдрахметова А.А. 

Импульсная катодолюминесценция F

2

-центров в чистых и активированных кристаллах LiF // 



Неорганические материалы. – 2011. – T. 47, № 5. – С. 600-604.  

7.

 



12.  Егранов  А.В.,  Раджабов  Е.А.  Спектроскопия  кислородных  и  водородных  примесных 

центров в щелочно-галоидных кристаллах. Новосибирск, Наука. 1992. - 160 с.  

8.

 

13.  Meistrich  M.L.  U.V.  and  I.R.  absorption  in  OH



  doped  NaF  //  J.Phys.Chem.Solids. 

Pergamon  Press.  –  Printed  in  Great  Britain,  1968.  –  V.  29.  –  P.  1119-1125.  Meistrich  M.L.  //  J. 

Phys. Chem. Solids. 1968. V. 29. P. 1119. 

 

PASSIVATION OF SMALL CdS CLUSTERS 

Aldongarov A.A., Osipova A.D. 

L.Gumilyov Eurasian National University,  Astana  



 

Colloidal  quantum  particles  have  a  number  of  outstanding  properties  that  make  them  useful 

for  technical  applications  in  wide  range  of  areas  such  as  bio  imaging,  photocatalyst,  sensor  and 

solar cell technology (1-5). However, the high ratio of surface area to volume makes such particles 

prone  to  imperfectly  passivated  surfaces,  which  introduce  trap  states.  Such  trap  states  may  have 

several  unwanted  consequences,  such  as  a  promoting  recombination  of  charge  carriers  that  are 

detrimental to solar cell device performance. It is therefore essential to obtain understanding of the 


188 

structure-property  relations  that  are  associated  with  the  occurrence  of  trap  states  and  how  QD 

surfaces can be passivated, either by the composition of the quantum dots themselves, or by the use 

of special passivating ligands. 

The study of optical properties offers a possibility to shed the light on trap states and the role 

of imperfection of QDs. The availability of optical data for small model clusters for QDs which at 

the  same  time  are  reachable  by  first  principles  electronic  structure  calculations,  makes  such  QDs 

suitable for studies of trap states. Herein we study the optical properties of CdS nanocsrytals with 

time  dependent  density  functional  theory  to  accomplish  that  purpose.  We  first  test  the 

parametrization  of  the  computational  model  in  terms  of  density  functional  and  basis  sets  for  the 

optical absorption for the pure clusters with well determined band gaps, and use the results of that 

for the further study of imperfection and trap states. Particularly we have considered the  effect  of 

oxygen  surface  impurities  on  the  optical  properties  of  CdS  clusters.  Cu  atoms  constitute  another 

kind of impurity which according to known experimental data is responsible for deep trap states.  

In this paper we study the spectra of wurtzite structure CdS cluster containing 17 Cd atoms, 

surface passivation by S or SH groups, the role of surface impurities such as oxygen and copper.  



Methods 

Structure 

CdS crystals have three stable crystal structures: wurtzite (hexagonal), zinc blende (cubic) and 

rock salt. The third one exists only at extreme conditions. Bulk CdS crystals have wurtzite structure

while nano-sized CdS crystals  may  exhibit  both zinc blende and wurtzite structures  depending on 

synthesis conditions (6, 7).  

Quantum mechanical  calculations performed by  Frenzel  and Joswig et  al.  (8, 9) have shown 

that wurtzite and zinc blende structures of the same size produce almost the same spectra. The only 

difference is that in the case of wurtzite structure the absorption peaks are doublets which relates to 

the symmetry difference of the two structures. The shape of the cluster, however, was found to be of 

minor importance for the optical properties (8, 9).  

We have considered various hexagonal wurtzite clusters, all based on the Cd

17

S



10

 cluster (Fig. 

1) (10, 11). All  clusters  considered in  our study  were  constructed according to  this principle.  It  is 

interesting to note that bulk and nano-sized CdS crystals have been found to have very similar cell 

parameters from experiments (see, for example Ref. (10, 11)). Optimization of the clusters was not 

performed  since  in  order  to  maintain  the  hexagonal  structure,  either  the  application  of  periodicity 

condition is required, or unfeasibly large (for quantum chemistry) clusters need to be used.    

 

Quantum chemical method 

All  calculated  absorption  spectra  were  obtained  at  TD  DFT  theoretical  level  (12-14). 

Excitation energies in this approximation are determined as solutions of non-Hermitian eigenvalue 

problem 


 

189 

(A-B)(A+B)|X+Y> = w

2

 |X+Y



where  A  matrix  is  configuration  interaction  restricted  to  single  excitations,  B  matrix  involves 

excitation and de-excitation elements, X and Y are linear responses of density matrix. 

 

 

Fig 1. Wurtzite hexagonal structure of Cd



17

S

10



 cluster.  

 

We have used different functionals to determine the one which provides optimal results for the 



bare  cluster  in  terms  of  energy  band  gap:  the  widely  used  B3LYP  (15,  16),  the  Becke  three-

parameter hybrid functional with the non-local correlation provided by Perdew/Wang 91 B3PW91 

(17,  18)  as  has  been  suggested  for  band  gap  calculation  of  bulk  semiconductors  like  CdS  (19)  as 

well  as  some  long  range  correlated  functionals  LC-wPBE  (20-23),  wB97XD  (24).  The  basis  sets 

used  in  all  calculations  were  6-31+G(d)  for  S,  O,  Cu,  3-21G  for  H  and  DZ  with  LanL2  effective 

core potential  for Cd (25).  It  should be noted that  in  all our calculations  the charge of the system 

was  determined  by  the  formula  2*(g-j)  –  k  for  a  Cd

g

S



j

(SH)


k

  cluster,  i.e.  in  case  of  Cd

17

S

10



  the 

charge is +14. Gaussian 09 Revision C.01 program package was used for the calculations (26). The 

dipole moment is reported relative to the center of charge for the nuclei. 

Results and Discussion 

Surface passivation with SH

-

 and S

2-

 

One of the unique property of nanosized crystals is the profound effect of surface atoms on the 

optical properties since the ratio of surface atoms to the number of inner atoms is high compared to 

bulk  crystals.  Therefore  it  is  important  to  pay  attention  to  the  correct  surface  passivation  when 

modeling  quantum  dot  clusters.  Several  authors  have  provided  data  and  strategies  for  surface 

passivation for theoretical models (27, 28, 8, 9). All these data clearly show that dangling bonds of 

the  surface  atoms  provide  trap  states  in  the  band  gap  something  that  lowers  the  available  LUMO 

level.  


190 

Furthermore  recent  studies  (8,  9)  have  demonstrated  that  only  single  bonded  Cd  atoms  are 

responsible  for  deep  surface  trap  sates  and  that  the  use  of  S

2-

  ions  and  SH



-

  groups  can  passivate 

single bonded Cd atoms. We have followed this way of passivation in the present study. 

Most of theoretical studies of CdS quantum dots do not provide direct comparison of predicted 

and  experimental  values  of  band  gap.  This  is  mostly  due  to  dependence  of  UV-vis  spectrum  of 

nanocrystalls  on  the  cluster  size.  Therefore  it  is  necessary  to  establish  well  defined  parameter  for 

linking  calculation  and  experiment.  The  authors  of  (8,  9)  have  demonstrated  good  agreement 

between  measured  spectra  and  the  calculated  ones  for  clusters  possessing  the  same  number  of 

cadmium atoms. This is probably due to the fact that cations Cd

2+

 define the size of space available 



for  electron  localization  in  a  CdS  cluster,  i.e.  particle  size  correlates  with  number  of  cations. 

Therefore it is reasonable to consider number of Cd atoms as the main parameter affecting the value 

of  band  gap  of  the  CdS  clusters.  Hence  we  have  used  this  criteria  for  comparing  theoretical  and 

experimental data. 

To demonstrate the role of passivation initially we have calculated the UV-vis spectrum of the 

unit  cell  [Cd

17

S

10



]

14+


  which  contains  13  single  bonded  Cd  atoms  (Fig.  1).  The  selection  of  this 

cluster for our theoretical consideration is explained by two practical reasons. First, this cluster can 

be  considered  as  a  cluster  of  relatively  small  size  for  modern  available  computational  resources 

which  makes  it  possible  to  consider  this  system  at  the  DFT  level.  Second,  there  are  available 

experimental results for CdS nano-crystals containing 17 Cd atoms therefore it is possible to make 

direct  comparison  of  our  model  system  with  the  real  one.  Furthermore  based  on  systematic 

theoretical study provided by (8, 9) it is reasonable to suggest that basic tendencies obtained for this 

small cluster will also hold true for the clusters of bigger size.   

In Table 1 the predicted wavelengths of the lowest optical transition (λ

1

) and the intense low 



energy  transition  (λ

strong


)  are  presented  as  well  as  experimental  results  for  Cd

17

S



4

(SCH


2

CH

2



OH)

26

 



cluster (29).  

 

Table 1. Calculated wavelengths of the lowest energy transition (λ



1

) and the first intense low-

energy transition (λ

strong


) for [Cd

17

S



10

]

14+



  

Wavelengt

h (nm) 

B3LYP 


LC-wPBE  B3PW91  wB97XD  Experiment (29) 

λ



450 

508 


511 

532 


290 

λ

strong 



408 

409 


422 

392 


290 

 

As one  can see from Table 1  all theoretical  data are far away  from experimental result. The 



presence of λ

1

, which differs from λ



strong

, demonstrates the existence of trapped surface states in the 

band  gap,  which  is  represented  by  λ

strong


.  As  a  next  step  we  have  passivated  some  of  the  single 

bonded  Cd  atoms  by  adding  S

2-

  or  SH


-

  group.  Structures  with  partial  passivation  are  presented  in 

Fig.  2.  Addition  of  6  SH

-

  groups  to  6  single  bonded  Cd  atoms  of  [Cd



17

S

10



]

14+


  cluster  leads  to 

formation  of  [Cd

17

S

10



(SH)

6

]



8+

  cluster  (Fig.  2)

.

  We  have  also  considered  a  cluster  without  single 



191 

bonded  Cd  atoms  where  all  single  bonded  Cd  atoms  were  passivated  by  adding  3  S

2-

  ions  to  the 



[Cd

17

S



10

(SH)


6

]

8+



 cluster, i.e. [Cd

17

S



13

(SH)


6

]

2+



 (Fig. 2). 

The  UV-vis  spectra  were  calculated  for  the  clusters  presented  in  Fig.  2  and  the  results  are 

presented in  Table 2. Here N

singCd


  represents  number of single-bonded  Cd atoms  in  the cluster,  in 

particular N

singCd

=7 refers to [Cd



17

S

10



(SH)

6

]



8+

 and N


singCd

=0 refers to [Cd

17

S

13



(SH)

6

]



2+

Comparison of theoretical results with the experiment (Table 2) demonstrates that long range 



corrected  functional  LC-wPBE  gives  more  accurate  results  than  the  other  three  functionals  do. 

Therefore  we  have  used  the  LC-wPBE  functional  in  the  following  calculations.  The  failure  of 

B3LYP  functional  is  due  to  the  well  known  problem  of  standard  exchange-correlation  DFT 

functionals  (30,  39).  The  small  deviation  of  theoretical  (cluster  Cd

17

S

13



(SH)

6

)  and  experimental 



(cluster  Cd

17

S



4

(SCH


2

CH

2



OH)

26

)  data  is  probably  due  to  difference  of  the  nature  of  passivating 



agents and contribution of size distribution of nano-particles to the measured spectrum. 

It should be noted that the addition of sulfur atoms, which leads to size increase of the cluster, 

does  not  provide  red  shift  of  band  gap  in  theoretical  model  as  may  be  expected  from  quantum 

confinement effect. This is in agreement with calculations in the literature that it is that number of 

Cd atoms that defines the band gap value in all considered clusters as mentioned in the introduction. 

 

Table  2.  Calculated  wavelengths  of  the  lowest  transition  (λ



1

)  and  first  intensive  transition 

(λstrong) for passivated clusters. N

singCd


 means number of single-bonded Cd atoms. 

Wavelengt

h (nm) 

B3LYP 


LC-wPBE 

B3PW91 


wB97XD 

Experime


nt 

(29) 


N

singCd


=7 

N

singCd



=0  N

singCd


=7 

N

singCd



=0 

N

singCd



=7 

N

singCd



=0 

N

singCd



=7 

N

singCd



=

λ



430 


373 

396 


310 

427 


496 

384 


387 

290 


λ

strong 


390 

356 


328 

298 


389 

460 


330 

366 


290 

 


192 

 

Fig. 2. Structures of clusters [Cd



17

S

10



(SH)

6

]



8+

 and [Cd


17

S

13



(SH)

6

]



2+

 



Calculated  with  LC-wPBE  functional  UV-vis  spectra  of  [Cd

17

S



10

]

14+



,  [Cd

17

S



10

(SH)


6

]

8+



  and 

[Cd


17

S

13



(SH)

6

]



2+

  clusters  are  shown  in  Figure  3.  The  band  halve-width  of  0.2  eV  was  used  to 

reproduce  theoretical  spectra  of  all  clusters.  Table  1,  Table  2  and  Fig.  3  show  for  LC-wPBE 

functional that gradual reduction of number of single bonded Cd atoms by adding S atoms and SH 

groups, while keeping the total amount of Cd atoms constant leads to an increase of the band gap. 

As one can see from Fig. 3 the predicted onset of absorption intensities for the three clusters 

varies  significantly.  Adding  of  6  SH

-

  groups  to  6  single  bonded  Cd  atoms,  i.e.  transformation  of 



[Cd

17

S



10

]

14+



 into [Cd

17

S



10

(SH)


6

]

8+



, causes substantial increase of intensity of long-wavelength peak. 

Analysis of transitions of the [Cd

17

S

10



(SH)

6

]



8+

 cluster shows that the λ

strong

 intensity is of the same 



order  of  magnitude  as  for  [Cd

17

S



10

]

14+



.  The  difference  in  the  intensities  shown  in  Fig.  3  for  the 

clusters  [Cd

17

S

10



]

14+


  and  [Cd

17

S



10

(SH)


6

]

8+



  is  resulted  from  presence  of  second  intensive  transition 

193 

located close to λ

strong

 of [Cd


17

S

10



(SH)

6

]



8+

 cluster. This transition has much higher probability than 

λ

strong


 of [Cd

17

S



10

(SH)


6

]

8+



 and relates to orbitals located on SH

-

 groups. Further passivation of single 



bonded Cd atoms of [Cd

17

S



10

(SH)


6

]

8+



 provided by addition of 3 S atoms, namely transformation of 

[Cd


17

S

10



(SH)

6

]



8+

  into  [Cd

17

S

13



(SH)

6

]



2+

,  results  in  substantial  decrease  of  band  gap  absorption 

intensity,  although  [Cd

17

S



13

(SH)


6

]

2+



  contains  SH  groups.  This  indicates  that  only  presence  of  SH

-

 



groups  does  not  provide  very  intensive  transition  near  λstrong  but  presence  of  single  bonded  Cd 

atoms and SH groups does.  

 

 

Fig. 3. Calculated absorption spectra of [Cd



17

S

10



]

14+


, [Cd

17

S



10

(SH)


6

]

8+



 and [Cd

17

S



13

(SH)


6

]

2+



  

 

According  to  population  analysis  of  unoccupied  orbitals  responsible  for  transitions  located 



between  λ

1

  and  λ



strong

  have  significant  contribution  from  single  bonded  Cd  atoms  for  clusters 

[Cd

17

S



10

]

14+



 and [Cd

17

S



10

(SH)


6

]

8+



 and this is in accordance with results (8, 9). For [Cd

17

S



10

(SH)


6

]

8+



 

SH groups make marked contribution to some of these orbitals. Highest occupied orbitals relate to 

two  coordinated  S  atoms  (not  SH  groups).  Prediction  of  λ

1

  which  differs  from  λ



strong

  for 


[Cd

17

S



13

(SH)


6

]

2+



  cluster  (Table  2)  demonstrates  presence  of  shallow  trap  state  but  not  a  deep  one 

since these two transitions are close to each other in energy.  

Employment  of  the  effective  mass  approximation  model  (32-34)  for  estimating  the  value  of 

the  band  gap  in  our  case  is  not  appropriate,  as  this  approximation  overestimates  band  gap  value 

significantly for small clusters (diameter less than 30 Å) (35), i.e. estimated wavelength of band gap 

transition  is  blue  shifted  comparing  to  the  real  wavelength.  We  note  that  in  our  case  the 

[Cd

17

S



13

(SH)


6

]

+2



 cluster without single bonded Cd atoms has a diameter of about 10 Å.  

Despite of the large abundance of papers on CdS nanoparticles published in recent almost 30 

years  there  are  some  discrepancies  in  interpretation  of  experimental  data.  For  instance,  some 

authors have assumed that SH groups at surface of CdS nanoparticles form trap states which quench 

band  gap  emission  and  provide  weak  longwave  emission  (36-39),  while  other  authors  based  on 


194 

experimental (40-43) and theoretical (8, 9, 44) data suggested that non-passivated Cd atoms at the 

surface, i.e. S

2-

 vacancies, are responsible for deep trap states and corresponding red emission.  



Our results support the suggestion that single bonded Cd atoms provide deep trap states in the 

band gap region. In our case, on the one hand non-passivated [Cd

17

S

10



]

14+


 and partially passivated 

[Cd


17

S

10



(SH)

6

]



8+

 complexes with single bonded Cd atoms have deep trap states, while on the other 

hand  the  presence  of  SH

-

  groups  on  the  surface  of  [Cd



17

S

13



(SH)

6

]



2+

  complex  do  not  exhibit  deep 

trap states.  

Calculations show that number of trap states m (number of transitions located between λ

1

 and 


λ

strong


)  correlates  with  dipole  moment  of  nanocrystals.  For  cluster  [Cd

17

S



10

]

14+



  dipole  moment  is 

13.58  D  and  m=3.  Addition  of  six  SH

-

  groups  to  [Cd



17

S

10



]

14+


  forming  [Cd

17

S



10

(SH)


6

]

8+



  increased 

dipole  moment  up  to  16.53  D  and  increased  m  up  to  5  although  band  gap  was  shifted  to  higher 

energy.  And  finally  three  S

2-

  ions  added  to  [Cd



17

S

10



(SH)

6

]



8+

  forming  [Cd

17

S

13



(SH)

6

]



2+

  cluster 

provided  decrease  of  dipole  moment  down  to  7.76  D  and  m=1.  Thus  increase  of  dipole  moment 

leads to increase of m and vice-versa. 




Достарыңызбен бөлісу:
1   ...   24   25   26   27   28   29   30   31   ...   89




©emirsaba.org 2024
әкімшілігінің қараңыз

    Басты бет