ВЛИЯНИЕ ГИДРОГЕНИЗАЦИИ ПОВЕРХНОСТНЫХ АТОМОВ НА МЕХАНИЗМ РОСТА НАНОЧАСТИЦ КРЕМНИЯ С.Б. Худайберганов ИНСТИТУТ ЯДЕРНОЙ ФИЗИКИ АН РУз НАЦИОНАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ УЗБЕКИСТАНА ИМЕНИ МИРЗО УЛУГБЕКА СИН-нано – 21 июня 2012 г. Москва – Дубна, Россия

Кластер – это ограниченное и взаимодействующее друг с другом множество атомов, ионов или молекул Наночастица – это кластер, размер которого превышает 1 нм

Классификация кластеров по размеру Малые кластеры (3-7 атомов) до 0.3 нм Средние кластеры (8-20 атомов) нм Большие кластеры ( атомов) 0.6 – 2.5 нм

Объект исследований - кремний типичный представитель элементов с ковалентной связью. Кремний - в виде микрочипов основа современных вычислительных и информационных систем. Наноразмерные частицы кремния - проявляют люминесценцию в видимой области, которая отсутствовала в массивном кремнии –Область применения-дисплеи нового поколения и флуоресцентные зонды для получения биоизображений

Цель: Исследование влияния гидрогенизации поверхности преобладает механизм роста алмазоподобного кластера. Определить геометрии и энергии связи малым и средних кластеров кремния с водородной пассивацией поверхности

Почему гидрогенизированные кластеры кремния? Технология получения наночастиц кремния в основном базируется на образовании нанокремния из силана или кремния в присутствии водородного газа и в среде инертного газа

Проблема, которую надо решить Нет однозначного механизма образования и роста наночастиц в кремния в газофазных реакциях; так как, неизвестно структура кирпичиков наночастиц - кластеров кремния в водородной среде

Одномерный канал роста кремниевых кластеров, ограниченный возрастанием напряжений связей между атомами (черные шары) в оси кластеров. Справа зависимость энергии кластеров, приходящейся на один атом, от числа атомов в кластере. Tereshchuk P.L., Khakimov Z.M., Umarova F.T., Swihart M.T. Growth Patterns of Silicon Clusters: Quasi-one-dimen-tional Clusters versus Diamond-like Clusters. //Phys. Rev. B. – New York, – V.76. – P –

Энергия атомизации кластеров Si 2 H m (m=2,4,6 ) в различных зарядовых состояниях mНейтральное состояние Положительно заряженное состояние Двукратно положительно заряженное состояние

В кластерах Si 2 H 4 и Si 2 H 6 конфигурация не изменяется с изменением зарядового состояния, причем недостающий электрон компенсируется всеми атомами кластера. При этом, длина связи между атомами увеличивается что связано как с ростом вклада ион- ионного отталкивания между наведенными одинаковыми зарядами атомов, так и с уменьшением перекрывания электронных орбиталей и ослаблением связей РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ЗАРЯДА И ДЛИНЫ СВЯЗЕЙ В КЛАСТЕРАХ SI 2 H

Энергия атомизации кластеров Si 3 H m (m=2,4,6,8) в различных зарядовых состояниях mНейтральное состояние Положительно заряженное состояние Двукратно положительно заряженное состояние

СТАБИЛЬНЫЕ СТРУКТУРЫ КЛАСТЕРОВ SI 3 H 2 (А) И (SI 3 H 2 )+ (Б). А Б

Структуры и энергии атомизации кластеров Si 4 H m в различных зарядовых состояниях. mНейтральное состояние Положительно заряженное состояние Двукратно положительно заряженное состояние

Конфигурация кластера Si 4 H

Структуры и энергии атомизации кластеров Si 5 H m в различных зарядовых состояниях. mНейтралы Si 5 H m Катионы (Si 5 H m ) + Дикатионы (Si 5 H m )

Алмазоподобная структураКвазиодномерная структура Si 13 H 12 Полная энергия образования эВ эВ

Алмазоподобная структураКвазиодномерная структура Si 19 H 18 Полная энергия образования эВ эВ

Алмазоподобная структураКвазиодномерная структура Si 25 H 21 Полная энергия образования эВ эВ

Выводы Показано, что рост малых гидрогенизированных кластеров, содержащих от 2 до 8 атомов кремния идет образованием циклических конфигураций, причем, чем больше несвязанных электронов в кластере, тем больше вероятность образования циклов меньшего размера. Положительный заряд в кластере стабилизирует структуры с циклами меньшего размера. Показано, что наличие положительного заряда в кластере влияет на его строение и зависит как от количества атомов кремния в кластере, так и от степени насыщенности кластера атомами водорода и величины положительного заряда. В кластерах Si3Hm треугольный цикл легко разрушается из-за большого углового напряжения, то в кластерах Si4Hm четырехугольная структура не нарушается. Найдено, что переход из частично разветвленной структуры в компактную циклическую форму происходит при количестве 8 атомов кремния в кластере, т.е. в Si8H12 и в Si9H14 она уже приобретает алмазоподобную геометрию, которая далее сохраняется в больших кластерах. Показано, что под влиянием частичной гидрогенизации поверхностных атомов кремниевых кластеров среднего размера, содержащих от 10 до 30 атомов, рост наночастиц происходит с образованием алмазоподобной структуры в отличие от чистых, негидрогенизированных кластеров Si, в которых преобладал квазиодномерный канал роста

Спасибо за внимание !

Энергии атомизации кластеров Si m H n (m=1-7; n=2-16), рассчитанные методами G3/B3LYP(жирная линия) и НМСС (тонкая линия)