Моделирование атомных конфигураций нанокристаллов на стадии зародышеобразования

Цель. Изучение модели нанокристалла зародышевого размера и выявление его свойств и закономерностей.

Процедура и методы. Построена модель и проведены численные расчёты на примере бинарного полупроводника GaAs, которые показали, что при самопроизвольном образовании нанокристалла формируется кристаллическая решётка с размером элементарной ячейки 0,4–0,5 нм, что больше длины связи атомов галлия и мышьяка при их возможном соединении в молекуле (сумма атомных радиусов 0,273 нм) и меньше постоянной решётки арсенида галлия (0,565 нм). Размер нанокристалла, вычисленный как кубический корень из произведения числа атомов на объём элементарной ячейки, составляет 0,6–1,4 нм. Эти значения достаточно точно соответствуют оценке длины волны де Бройля для электрона объёмного кристалла. Ширина запрещённой зоны уменьшается с увеличением числа атомов, изменяясь от величины электронного сродства материала (4,1 эВ) до ширины запрещённой зоны объёмного кристалла – 1,42 эВ. 1

Результаты. При размерах нанокристалла более минимального (элементарной ячейки) к нанокристаллу применимы физические модели и подходы, используемые для объёмного кристалла.

Теоретическая и практическая значимость. Разработана модель свойств наноразмерной системы GaAs, легированной Zn, обеспечивающая предсказание новых функциональных возможностей таких материалов. 

1. Бричкин С. Б., Разумов В. Ф. Коллоидные квантовые точки: синтез, свойства и применение // Успехи химии. 2016. Т. 85. № 12. С. 1297–1312. DOI: https://doi.org/10.1070/RCR4656.

2. State-of-the-Art and Trends in Synthesis, Properties, and Application of Quantum DotsBased Nanomaterials / M. Alizadeh-Ghodsi, M. Pourhassan-Moghaddam, A. ZavariNematabad, B. Walker, N. Annabi, A. Akbarzadeh // Particle & Particle Systems Characterization. 2019. Vol. 36. Iss. 2. P. 1800302. DOI: https://doi.org/10.1002/ppsc.201800302.

3. Han M., Karatum O., Nizamoglu S. Optoelectronic Neural Interfaces Based on Quantum Dots // ACS Applied Materials & Interfaces. 2022. Vol. 14. Iss. 18. P. 20468–20490. DOI: https://doi.org/10.1021/acsami.1c25009.

4. Montanarella F., Kovalenko M. V. Three Millennia of Nanocrystals // ACS Nano. 2022. Vol. 16. Iss. 4. P. 5085–5102. DOI: https://doi.org/10.1021/acsnano.1c11159.

5. Hens Z., De Roo J. Atomically Precise Nanocrystals // Journal of the American Chemical Society. 2020. Vol. 142. Iss. 37. P. 15627–15637. DOI: https://doi.org/10.1021/jacs.0c05082.

6. Наноэлектроника. Теория и практика: учебник для высшей школы / В. Е. Борисенко, А. И. Воробьёва, А. Л. Данилюк, Е. А. Уткина. М.: БИНОМ, 2013. 366 с.

7. Клецов А. А. Квантово-механические основы наноэлектроники: учебное пособие для студентов. Саратов: Саратовский государственный университет имени Н. Г. Чернышевского, 2013. 102 с.

8. Zn incorporation and band gap shrinkage in p-type GaAs / M. K. Hudait, P. Modak, S. Hardikar, S. B. Krupanidhi // Journal of Applied Physics. 1997. Vol. 82. Iss. 10. P. 4931– 4937. DOI: https://doi.org/10.1063/1.366359.

9. Dekker C., Ratner M. A. Electronic properties of DNA // Physics World. 2001. Vol. 14. No. 8. P. 29–33. DOI: 10.1088/2058-7058/14/8/33.

10. Маделунг О. Физика полупроводниковых соединений элементов III и V групп. М.: Мир, 1967. 468 с.

11. Gavezzotti A. Molecular aggregation, Structure analysis and Molecular Simulation of Crystals and Liquids. Oxford: Oxford University Press, 2007. 425 p.