Computational nanotechnologyComputational nanotechnologyComputational nanotechnologyComputational nanotechnologyComputational nanotechnologyComputational nanotechnology2313-223X2587-9693YUR-VAK54584710.33693/2313-223X-2023-10-1-128-137NANOTECHNOLOGY AND NANOMATERIALSНАНОТЕХНОЛОГИИ И НАНОМАТЕРИАЛЫResearch ArticleAtomic and electronic structure of quantum dots on the basis of CdSeАтомная и электронная структура квантовых точек на основе CdSeZavodinskyVictor G.ЗаводинскийВиктор Григорьевич
Russian Federation

Doctor of Physics and Mathematics, Professor; leader-researcher at the Khabarovsk Department of the Institute of Applied Mathematicks of the Russian Academy of Sciences

доктор физико-математических наук, профессор; ведущий научный сотрудник Института материаловедения ХНЦ ДВО РАН

vzavod@mail.ruGorkushaOlga A.ГоркушаОльга Александровна
Russian Federation

Candidate of Physics and Mathematics; senior researcher at the Khabarovsk Department of Institute of Applied Mathematics of the Russian Academy of Sciences

кандидат физико-математических наук; старший научный сотрудник Хабаровского отделения Института прикладной математики ДВО РАН

o_garok@rambler.ruInstitute of Applied Mathematics of the Russian Academy of SciencesХабаровское отделение Института прикладной математики ДВО РАН15032023101VOL 10, NO1 (2023)ТОМ 10, №1 (2023)12813711072023Copyright ©; 2023, Yur-VAKCopyright ©; 2023, Юр-ВАК2023Yur-VAKЮр-ВАКhttps://journals.eco-vector.com/2313-223X/about/editorialPolicieshttps://journals.eco-vector.com/2313-223X/article/view/545847

Within the framework of the density functional theory, comparative calculations of the total energy and electronic states of CdnSen nanoparticles with a structure of three types: wurtzite, sphalerite and NaCl were performed. It has been shown that for n ≤ 72, the formation of a NaCl type structure is energetically favorable. However, extrapolation of the energy values per Cd–Se atom pair shows that for n > 130 (corresponding to a size of about 2 nm), wurtzite-type particles can be more advantageous than particles with the NaCl structure. The electronic structure of CdnSen, CdnSn, and ZnnSn nanoparticles, as well as CdSe/CdS and CdSe/CdS/ZnS quantum dots, has been studied. It is shown that the ZnS shell not only increases the band gap of a quantum dot, but also significantly increases the intensity of its emission due to the appearance of electronic states near the band gap.

В рамках теории функционала плотности выполнены сравнительные расчеты полной энергии и электронных состояний наночастиц CdnSen со структрой трех типов: вюрцит, сфалерит и NaCl. Показано, что при n ≤ 72 энергетически выгодно формирование структуры типа NaCl. Однако экстраполяция величин энергии, приходящейся на пару атомов Cd–Se, показывает, что при n > 130 (что соответствует размеру около 2 нм) частицы со структурой типа «вюрцит» могут быть более выгодны, чем частицы со структурой NaCl. Исследована электронная структура наночастиц CdnSen, CdnSn и ZnnSn, а также квантовых точек CdSe/CdS и CdSe/CdS/ZnS. Показано, что оболочка ZnS не только увеличивает ширину запрещенной зоны квантовой точки, но и существенно повышает интенсивность ее излучения за счет появления электронных состояний вблизи запрещенной зоны.

nanoparticlescadmium selenidequantum dotsenergy gapluminescenceнаночастицыселенид кадмияквантовые точкиэнергетическая щельлюминесценцияИмамов Э.З., Муминов Р.А., Рахимов Р.Х. Анализ эффективности солнечного элемента с наноразмерными гетеропереходами // Computational Nanotechnology. 2021. Т. 8. № 4. С. 42–50.Rani S., Thanka Rajan S., Shanthi J. et al. Review on the materials properties and photoelctrochemical (PEC) solar cells of CdSe, Cd 1 × Zn × Se, Cd 1 × In × Se, thin films. Materials Science Forum. 2015. No. 832. Pp. 1–27. DOI: 10.4028/www.scientific.net/MSF.832.1.Haken H. Synergetics. Berlin-Heidelberg: Springer, 1977.Talapin D.V., Nelson J.H., Shevchenko E.V. et al. Seeded growth of highly luminescent CdSe/CdS nanoheterostructures with rod and tetrapod morphologies. Nanoletters. 2007. Vol. 7. No. 10. Pp. 2951–2959.Shchukin V.A., Ledentsov N.N., Kopev P.S., Bimberg D. Spontaneous ordering of arrays of coherent strained islands // Phys. Rev. Lett. 1995. Vol. 75. No. 16. Pp. 2968–2971.Ying Luo, Lin-Wang Wang. Electronic Structures of the CdSe/CdS Core-Shell Nanorods. ACS Nano. 2010. Vol. 4. No. 1. Pp. 91–98.Леденцов Н.Н., Устинов В.М., Иванов С.В. и др. Упорядоченные массивы квантовых точек в полупроводниковых матрицах // УФН. 1996. Т. 166. № 4. С. 423–428.Romanova K.A., Galyametdinov Y.G. Quantum-chemical study of CdSe/CdS core/shell and CdSe/CdS/ZnS core/shell/shell quantum dots with different layers ratio. AIP Conference Proceedings. 2021. No. 2380. P. 060001. DOI: https://doi.org/10.1063/5.0058295.Имамов Э.З., Муминов Р.А., Рахимов Р.Х. и др. Моделирование электрических свойств солнечного элемента с многими наногетеро-переходами // Computational Nanotechnology. 2022. Т. 9. № 4. C. 70–77.Rosmani C.H., Zainurul A.Z., Rusop M., Abdullah S. The optical and electrical properties of CdSe nanoparticles. Advanced Materials Research. 2014. No. 832. Pp 557–561.Чепурнов В.И., Раджапов С.А., Долгополов М.В. и др. Задачи определения эффективности для микроструктур SiC*/Si и контактообразования // Computational Nanotechnology. 2021. № 3. С. 59–68.Abbassi A., Zarhri Z., Azahaf Ch. et al. Boltzmann equations and ab initio calculations: Comparative study of cubic and wurtzite CdSe. Springer Plus. 2015. No. 4. P. 543. DOI: 10.1186/s40064-015-1321-z.Долгополов М.В., Чепурнов В.И., Пузырная Г.В. и др. Экспериментальное исследование полупроводниковых структур источника питания на углероде-14 // Физика волновых процессов и радиотехнические системы. 2019. Т. 22. № 3. С. 55–67.Xiongbin Wang, Jiahao Yu, Rui Chen. Optical characteristics of ZnS passivated CdSe/CdS quantum dots for high photostability and lasing. Nature Scientific Reports. 2018. No. 8. P. 17323. DOI: 10.1038/s41598-018-35768-8.Физика полупроводниковых преобразователей / под ред. акад. РАН, проф. А.Н. Саурова, чл.-корр. АН Татарстана, проф. С.В. Булярского. М.: РАН, 2018. 280 с.Su-Huai Wei, Zhang S.B., Zunger A. First-principles calculation of band offsets, optical bowings, and defects in CdS, CdSe, CdTe, and their alloys. J. Appl. Phys. 2000. Vol. 87. No. 3.Раджапов С.А., Раджапов Б.С., Джанклич М. и др. Полупроводниковые детекторы ядерного излучения на основе гетеропереходных структур Al–αGe–pSi–Au для измерения малоинтенсивных ионизирующих излучений // Computational Nanotechnology. 2018. № 3, С. 65–67.Wulei Zhou, Tuo Cai, Yun Chen et al. Synthesis of CdS-capped CdSe nanocrystals without any poisonous materials. Advanced Materials Research. 2014. Vol. 981. Pp. 806–809.Akimchenko A., Chepurnov V., Dolgopolov M. et al. Betavoltaic device in por-SiC/Si C-Nuclear Energy Converter // EPJ Web of Conferences. 2017. Vol. 158.Jiangtao Hu, Lin-wang Wang, Liang-shi Li et al. Semiempirical pseudopotential calculation of electronic states of CdSe quantum rods. J. Phys. Chem. B. 2002. No. 106. Pp. 2447–2452.Цой Б. Патент в Евразийском патентном ведомстве (EP2405487 A1. 08.30.2012).Kolomijtseva Yu.A., Kokomijtsev Yu.C., Skujbin B.G., Ambrozevich C.A. Investigation of luminescence of CdSe/CdS quantum dots. Vestnik nauki i obrazovaniia. 2018. Vol. 2. No. 7 (43). Pp. 32–36. (In Rus.)Цой Б. Патент во всемирной организации интеллектуальной собственности (№ WO 2011/040838 A2 07.04.2011).Vitukhnovsky A.G., Vaschtnko A.A., Bychkovsky D.N. et al. Photo- and electroluminescence of semiconductor colloid quantum dots inside organic matrices: QD-OLED. Fizika i tekhnika poluprovodnikov. 2013. Vol. 47. No. 12. Pp. 1591–1594. (In Rus.)Пикус Г.Е. Основы теории полупроводниковых приборов М.: Наука, 1965. 448 с.Kuritsin D.O., Muradova A.G., Yurtov E.V. et al. Synthesis and study of photoluminescence properties of CdSe quantum dots. Uspekhi v khimii i khimicheskoj tekhnologii. 2019. Vol. XXXIII. No. 10. Pp. 26–28. (In Rus.)Rawa M., Calasan M., Abusorrah A. et al. Single diode solar cells–improved model and exact current–voltage analytical solution based on Lambert’s W function // Sensors. 2022. No. 22. P. 4173.Stepanova U.A., Al-Majakhi H., Muradova A.G. et al. Preparation of an epoxypolymer nanocomposite containing CdSe quantum dots. Uspekhi v khimii i khimicheskoj tekhnologii. 2019. Vol. XXXIII. No. 10. Pp. 53–55. (In Rus.)Гурская А.В., Долгополов М.В., Раджапов С.А., Чепурнов В.И. Контакты для SiC-преобразователей в диапазоне нано-микроватт // Вестн. Моск. ун-та. Сер. 3. Физ. Астрон. 2023. № 1. C. 2310103.Jones M., Lo Sh.S., Scholes G.D. Quantitative modeling of the role of surface traps in CdSe/CdS/ZnS nanocrystal photoluminescence decay dynamics. PNAS. 2009. Vol. 106. No. 9. Pp. 3011–3016. DOI: 10.1073/pnas.0809316106.Чепурнов В.И., Гурская А.В., Долгополов М.В., Латухина Н.В. Способ получения пористого слоя гетероструктуры карбида кремния на подложке кремния. Патент № 2653398, получен 18.05.2018, приоритет 19.07.2016.Jianmin Xu, Xiaojun Ji, Kerim M. Gattás-Asfura et al. Langmuir and Langmuir–Blodgett films of quantum dots. Colloids and Surfaces A: Physicochem. 2006. Eng. Aspects 284–285. Pp. 35–42.Долгополов М.В, Сурнин О.Л., Чепурнов В.И. Устройство генерирования электрического тока посредством преобразования энергии радиохимического бета-распада С-14. Патент РФ № 2714690, опубл. 19.02.2020. Бюл. № 5.Ratnesh R.K., Mehata M.S. Synthesis and optical properties of core-multi-shell CdSe/CdS/ZnS quantum dots: Surface modifications. Optical Materials. 2017. No. 64. Pp. 250–256.Proshchenko V., Dahnovsky Y. Spectroscopic and electronic structure properties of CdSe nanocrystals: Spheres and cubes. Phys. Chem. Chem. Phys. 2014. No. 16. Pp. 7555–7561.Neeleshwar S., Chen C.L., Tsai C.B. et al. Size-dependent properties of CdSe quantum dots. Phys. Rev. B: Condens. Matter Mater. Phys. 2005. Vol. 71. No. 201307 (1-4).Beckstedte M., Kley A., Neugebauer J., Scheffler M. Density functional theory calculations for poly-atomic systems: Electronic structure, static and elastic properties and ab initio molecular dynamic. Comput. Phys. Commun. 1997. No. 107. Pp. 187–205.Kohn W., Sham J.L. Self-consistent equations including exchange and correlation effects. Phys. Rev. 1965. No. 140. Pp. A1133–A1138.Fuchs M., Scheffler M. Ab initio pseudopotentials for electronic structure calculations of poly-atomic systems using density functional theory. Comput. Phys. Commun. 1999. No. 119. Pp. 67–165.Perdew J.P., Wang Y. Accurate and simple density functional for the electronic exchange energy. Phys. Rev. B. 1986. No. 33. Pp. 8800–8802.Ceperly D.M., Alder B.J. Ground state of the electron gas by a stochastic method. Phys. Rev. Lett. 1980. No. 45. Pp. 566–569.Perdew J.P., Burke K., Wang Y. Generalized gradient approximation for the exchange-correlation hole of a many electron system. Phys. Rev. B. 1996. No. 54. Pp. 16533–16539.Hamman D.R. Generalized norm-conserving pseudopotentials. Phys. Rev. B. 1989. No. 40. Pp. 8503–8513.Troullier N., Martins J.I. Efficient pseudopotentials for plane-wave calculations. Phys. Rev. B. 1991. No. 43. Pp. 1993–2006.Soltani N., Gharibshahi E., Saion E. Band gap of cubic and hexagonal CdS quantum dots. Experimental and theoretical studies. Chalcogenide Letters. 2012. Vol. 9. No. 7. Pp. 321–328.Tran T.K., Park W., Tong W. et al. Photoluminescence properties of ZnS epilayers. Journal of Applied Physics. 1997. No. 81 (6). Pp. 2803. DOI: 10.1063/1.363937.Ong H.C., Chang R.P.H. Optical constants of wurtzite ZnS thin films determined by spectroscopic ellipsometry. Applied Physics Letters. 2001. No. 79 (22). P. 3612. DOI: 10.1063/1.1419229.Qadri S.B., Skelton E.F., Hsu D. et al. Size-induced transition-temperature reduction in nanoparticles of ZnS. Physical Review B. 1999. No. 60. Pp. 9191–9193.de Queiroz A.A.A., Mayler M., Soares D.A.W., Franca É.J.J. Modeling of ZnS quantum dots synthesis by DFT techniques. Journal of Molecular Structure. 2008. No. 873. Pp. 121–129.Nazerdeylami Somayeh, Saievar Iranizad Esmaiel, Molaei, Mehdi. Optical properties of synthesized nanoparticles ZnS using methacrylic acid as the capping agent. International Journal of Modern Physics: Conference Series. 2012. Vol. 5. Pp. 127–133. DOI: 10.1142/S2010194512001936Borah J.P., Barman J., Sarma K.C. Structural and properties of ZnS nanoparticles. Chalcogenide Letters. 2008. Vol. 5. No. 9. Pp. 201–208.Pathak C.S., Mishra D.D., Agarawala V., Mandal M.K. Mechanochemical synthesis, characterization and optical properties of zinc sulphide nanoparticles. Indian J. Phys. 2012. No. 86 (9). Pp. 777–781. DOI: 10.1007/s12648-012-0133-z.