Мирошниченко Ольга: "Исследование влияния -ОН группы на структуру и электрические свойства нанокластеров оксида титана" — различия между версиями

Материал из Department of Theoretical and Applied Mechanics
Перейти к: навигация, поиск
 
(не показаны 3 промежуточные версии этого же участника)
Строка 2: Строка 2:
 
Оксид титана (TiO2) - полупроводник с широкой запрещенной зоной, имеющий огромное количество применений. Обычно его используют в качестве белого пигмента и фотокатализатора. В силу его безвредности, TiO2 применяют в фармакологии, пищевой промышленности, а также в медицинских и стоматологических имплантатах и в качестве УФ-блокиратора. Свойства оксида титана определяются его механической и электронной структурой, на которые большое влияние оказывают различные адсорбаты. Гидроксильные группы (-ОН) всегда присутствуют на поверхности оксида титана, поэтому исследование влияния –ОН группы на свойства полупроводника крайне важно.  
 
Оксид титана (TiO2) - полупроводник с широкой запрещенной зоной, имеющий огромное количество применений. Обычно его используют в качестве белого пигмента и фотокатализатора. В силу его безвредности, TiO2 применяют в фармакологии, пищевой промышленности, а также в медицинских и стоматологических имплантатах и в качестве УФ-блокиратора. Свойства оксида титана определяются его механической и электронной структурой, на которые большое влияние оказывают различные адсорбаты. Гидроксильные группы (-ОН) всегда присутствуют на поверхности оксида титана, поэтому исследование влияния –ОН группы на свойства полупроводника крайне важно.  
  
В данной работе рассмотрены два (TiO2)16 нанокластера анатаза (структуры А и Б), одной из трех полиморфных модификаций оксида титана, наиболее устойчивой в случае наноструктур.  Целью работы является провести ab initio расчеты для кластеров оксида титана, с присоединенной группой -ОН и выявить влияние гидроксильной группы на свойства TiO2.
+
В данной работе рассмотрены два (TiO2)16 нанокластера анатаза (структуры А и Б), одной из трех полиморфных модификаций оксида титана, наиболее устойчивой в случае наноструктур.  Целью работы является провести ''ab initio'' расчеты для кластеров оксида титана, с присоединенной группой -ОН и выявить влияние гидроксильной группы на свойства TiO2.
  
  
 
== Результаты ==
 
== Результаты ==
* Рассмотрены 2 структуры (А и Б), вырезанные из большого объема.
+
1. Рассмотрены 2 структуры (А и Б), вырезанные из большого объема. На поверхности второй имеются низкокоординированные атомы кислорода.
На поверхности второй имеются низкокоординированные атомы кислорода.
+
<gallery caption="Кластеры до релаксации" widths="250px" heights="250px">
 +
Файл:an16ndbur.jpg|Структура А
 +
Файл:an16dbur.jpg|Структура Б
 +
</gallery>
  
  
* Структуры были оптимизированы  квази-Ньютоновским методом с использованием программного пакета [https://wiki.fysik.dtu.dk/gpaw/ GPAW]. Условие сходимости: силы на всех атомах должны быть меньше 0.01еВ.
+
2. Структуры были оптимизированы  квази-Ньютоновским методом с использованием программного пакета [https://wiki.fysik.dtu.dk/gpaw/ GPAW]. Условие сходимости: силы на всех атомах должны быть меньше 0.01 еВ.
 +
<gallery caption="Кластеры после релаксации" widths="250px" heights="250px">
 +
Файл:Anatase16ndb.jpg|Структура А
 +
Файл:Anatase16db.jpg|Структура Б
 +
</gallery>
  
* Были проведены тестовые расчеты, и найдены атомы титана в обеих конструкциях, к которым была присоединена -ОН группа. Полученные структуры также были оптимизированы.
 
  
* Были подсчитаны количество, средние длины связей, размеры кластеров и про- ведено сравнение результатов для структур с группой ОН до и после релаксации.  
+
3. Были проведены тестовые расчеты, и найдены атомы титана в обеих конструкциях, к которым была присоединена -ОН группа. Полученные структуры также были оптимизированы.
 +
<gallery caption="Кластеры после релаксации, с присоединенной -ОН" widths="250px" heights="250px">
 +
Файл:Anatase16ndbOH.jpg|Структура А
 +
Файл:Anatase16dbOH.jpg|Структура Б
 +
</gallery>
  
  
** В обеих структурах была прервана связь между атомом титана, к которому была присоединена группа ОН, и нижним атомом кислорода. В структуре Б больше прерванных Ti-O связей, в структуре А обрывается связь Ti-Ti, а во второй структуре образовывается новая Ti-Ti связь
+
4. Было подсчитано количество, средние длины связей, размеры кластеров и проведено сравнение результатов для структур с группой ОН до и после релаксации.  
  
** Средняя длина связей в обеих структурах стала на 0.5% короче
+
* В обеих структурах была прервана связь между атомом титана, к которому была присоединена группа ОН, и нижним атомом кислорода. В структуре Б больше прерванных Ti-O связей, в структуре А обрывается связь Ti-Ti, а во второй структуре образовывается новая Ti-Ti связь
** Связь между кислородом и водородом в гидроксильной группе уменьшилась на 3%,
+
* Средняя длина связей в обеих структурах стала на 0.5% короче
** Связь между атомом титана и группой ОН стала короче на 6%,в структуре А и на 0.5% в Б
+
* Связь между кислородом и водородом в гидроксильной группе уменьшилась на 3%,
 +
* Связь между атомом титана и группой ОН стала короче на 6%,в структуре А и на 0.5% в Б
 
=>Структуры стали более компактными
 
=>Структуры стали более компактными
** Расширение кластеров в направлении x: A - 7%, Б - 8%
+
 
** Расширение кластеров в направлении z: A - 17%, Б - 19%
+
* Расширение кластеров в направлении x: A - 7%, Б - 8%
** Сужение в y-направлении: A - 4.5%, Б - 10%
+
* Расширение кластеров в направлении z: A - 17%, Б - 19%
 +
* Сужение в y-направлении: A - 4.5%, Б - 10%
 
=> ОН группа вытягивает структуры
 
=> ОН группа вытягивает структуры
* Были построены графики плотности состояний (Density of States (DOS)).
 
** После присоединения гидроксильной группы ширина зоны между Высшей Занятой Молекулярной Орбиталью (ВЗМО) и Низшей Свободной Молекулярной Орбиталью (НСМО) стала практически равной нулю, что свидетельствует об уменьшении границы поглощения
 
**Уменьшение границы поглощения означает, что материал становится более эффективен в фотокатализе и очистке воды. Частицы становятся менее прозрачными.
 
**Стабилизируется электронная структура в случае кластера Б, что означает большую устойчивость и прочность материала
 
 
 
 
 
 
 
 
  
  
 +
5. Были построены графики плотности состояний (Density of States (DOS)).
 +
<gallery caption="Графики плотности состояний (DOS) для кластеров с группой -ОН и без" widths="250px" heights="250px">
 +
Файл:dos_ndb_ndbOH.jpg|Структура А
 +
Файл:dos_db_dbOH.jpg|Структура Б
 +
</gallery>
 +
* После присоединения гидроксильной группы ширина зоны между Высшей Занятой Молекулярной Орбиталью (ВЗМО) и Низшей Свободной Молекулярной Орбиталью (НСМО) стала практически равной нулю, что свидетельствует об уменьшении границы поглощения
 +
*Уменьшение границы поглощения означает, что материал становится более эффективен в фотокатализе и очистке воды. Частицы становятся менее прозрачными.
 +
*Стабилизируется электронная структура в случае кластера Б, что означает большую устойчивость и прочность материала
  
 +
 
 
[[Category: Студенческие проекты]]
 
[[Category: Студенческие проекты]]

Текущая версия на 02:43, 28 июня 2012

Актуальность[править]

Оксид титана (TiO2) - полупроводник с широкой запрещенной зоной, имеющий огромное количество применений. Обычно его используют в качестве белого пигмента и фотокатализатора. В силу его безвредности, TiO2 применяют в фармакологии, пищевой промышленности, а также в медицинских и стоматологических имплантатах и в качестве УФ-блокиратора. Свойства оксида титана определяются его механической и электронной структурой, на которые большое влияние оказывают различные адсорбаты. Гидроксильные группы (-ОН) всегда присутствуют на поверхности оксида титана, поэтому исследование влияния –ОН группы на свойства полупроводника крайне важно.

В данной работе рассмотрены два (TiO2)16 нанокластера анатаза (структуры А и Б), одной из трех полиморфных модификаций оксида титана, наиболее устойчивой в случае наноструктур. Целью работы является провести ab initio расчеты для кластеров оксида титана, с присоединенной группой -ОН и выявить влияние гидроксильной группы на свойства TiO2.


Результаты[править]

1. Рассмотрены 2 структуры (А и Б), вырезанные из большого объема. На поверхности второй имеются низкокоординированные атомы кислорода.


2. Структуры были оптимизированы квази-Ньютоновским методом с использованием программного пакета GPAW. Условие сходимости: силы на всех атомах должны быть меньше 0.01 еВ.


3. Были проведены тестовые расчеты, и найдены атомы титана в обеих конструкциях, к которым была присоединена -ОН группа. Полученные структуры также были оптимизированы.


4. Было подсчитано количество, средние длины связей, размеры кластеров и проведено сравнение результатов для структур с группой ОН до и после релаксации.

  • В обеих структурах была прервана связь между атомом титана, к которому была присоединена группа ОН, и нижним атомом кислорода. В структуре Б больше прерванных Ti-O связей, в структуре А обрывается связь Ti-Ti, а во второй структуре образовывается новая Ti-Ti связь
  • Средняя длина связей в обеих структурах стала на 0.5% короче
  • Связь между кислородом и водородом в гидроксильной группе уменьшилась на 3%,
  • Связь между атомом титана и группой ОН стала короче на 6%,в структуре А и на 0.5% в Б

=>Структуры стали более компактными

  • Расширение кластеров в направлении x: A - 7%, Б - 8%
  • Расширение кластеров в направлении z: A - 17%, Б - 19%
  • Сужение в y-направлении: A - 4.5%, Б - 10%

=> ОН группа вытягивает структуры


5. Были построены графики плотности состояний (Density of States (DOS)).

  • После присоединения гидроксильной группы ширина зоны между Высшей Занятой Молекулярной Орбиталью (ВЗМО) и Низшей Свободной Молекулярной Орбиталью (НСМО) стала практически равной нулю, что свидетельствует об уменьшении границы поглощения
  • Уменьшение границы поглощения означает, что материал становится более эффективен в фотокатализе и очистке воды. Частицы становятся менее прозрачными.
  • Стабилизируется электронная структура в случае кластера Б, что означает большую устойчивость и прочность материала