Cấu trúc hình học và các quá trình phân li của cluster silic Sin và Sin+ (n = 2-10): một nghiên cứu lý thuyết

Cấu trúc hình học của các cluster silic trung hòa Sin và cation Sin + (n = 2-10) cũng như năng lượng của các quá trình phân li khả dĩ của chúng được xác định bằng các phép tính Hóa học Lượng tử dùng phương pháp phiếm hàm mật độ với phiếm hàm/bộ hàm cơ sở B3P86/6-311+G(d).
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Cấu trúc hình học và các quá trình phân li của cluster silic Sin và Sin+ (n = 2-10): một nghiên cứu lý thuyết Nghiên cứu khoa học công nghệ CẤU TRÚC HÌNH HỌC VÀ CÁC QUÁ TRÌNH PHÂN LI CỦA CLUSTER SILIC Sin VÀ Sin+ (n = 2-10): MỘT NGHIÊN CỨU LÝ THUYẾT Nguyễn Thị Mai1, Ngô Tuấn Cường2* Tóm tắt: Cấu trúc hình học của các cluster silic trung hòa Sin và cation Sin+ (n = 2-10) cũng như năng lượng của các quá trình phân li khả dĩ của chúng được xác định bằng các phép tính Hóa học Lượng tử dùng phương pháp phiếm hàm mật độ với phiếm hàm/bộ hàm cơ sở B3P86/6-311+G(d). Kết quả tính độ dài liên kết Si-Si cũng như tần số dao động hóa trị của liên kết này trong một số cluster kích thước nhỏ phù hợp với thực nghiệm. Năng lượng phân li của các cluster cho thấy đối với cluster trung hòa, Si7 có cấu trúc lưỡng tháp ngũ giác và đối với cluster cation, Si6+ có cấu trúc bát diện lệch là bền nhất trong số các cluster nghiên cứu. Từ khóa: Hóa học lượng tử, Phiếm hàm mật độ, Cluster silic. 1. MỞ ĐẦU Silic đã và tiếp tục là một trong những nguyên tố được sử dụng rộng rãi nhất trong các ứng dụng bán dẫn khác nhau như tế bào mặt trời và vi điện tử. Do đó, tính chất vật lý cũng như hóa học của silic đã được chú trọng nghiên cứu trong nhiều thập kỷ [1-5]. Các cấu trúc của một số cụm nhỏ của silic, đặc biệt là các cấu trúc có năng lượng thấp đã được nghiên cứu qua nhiều kỹ thuật thí nghiệm khác nhau kết hợp với khảo sát lý thuyết [6-9]. Các cụm nguyên tử (cluster) silic không chỉ có tầm quan trọng trong lĩnh vực khoa học cơ bản mà còn rất có vai trò trong khoa học ứng dụng. Việc nghiên cứu và phát triển các thiết bị quang điện tử, thiết bị bán dẫn, thiết bị từ có kích thước nano đang rất được quan tâm. Vật liệu chứa silic là một trụ cột của ngành công nghiệp chế tạo thiết bị quang điện tử. Sự hiểu biết về các tính chất cơ bản của loại vật liệu nano silic cũng được phát triển cùng với sự phát triển của ngành khoa học và công nghệ nano. Vậy nên, cấu trúc hình học chi tiết của cluster chứa silic; Mối quan hệ giữa cấu trúc hình học cũng như nguyên tố pha tạp và tính chất quang phổ học và các đặc trưng năng lượng của cluster chứa silic cần được làm sáng tỏ. Xuất phát từ thực tế đó, chúng tôi nghiên cứu về cấu trúc hình học, năng lượng và các quá trình phân li khả dĩ của cụm nguyên tử silic trung hòa Sin và cụm nguyên tử silic mang điện tích dương Sin+ (n=2-10) bằng phương pháp hóa học tính toán. 2. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Phương pháp tính toán hóa học lượng tử được lựa chọn để nghiên cứu cấu trúc và các tính chất của cluster là phương pháp phiến hàm mật độ (Density Functional Theory, DFT) [10]. Để nghiên cứu các cluster silic trung hòa Sin và cation Sin+ (n=2-10) bằng phương pháp hóa học lượng tử, chúng tôi đã sử dụng phần mềm Gaussian phiên bản 09 [11-12] và dùng phần mềm hỗ trợ là Gaussview. Cấu trúc hình học của các cluster silic Sin và cation silic Sin+ (n=2-10) được tối ưu với phiếm hàm và bộ hàm cơ sở B3P86/6-311+G(d) [13-15]. Đối với cụm nguyên tử silic và cụm nguyên tử silic pha trộn nguyên tử kim loại chuyển tiếp, đây là phương pháp tính tối ưu cấu trúc hình học và tần số dao động cho kết quả phù hợp tốt với thực nghiệm [16,17]. Các đồng phân sau khi được tối ưu ở mức lý thuyết này sẽ được tính tần số dao động điều hòa ở cùng mức lý thuyết, để khẳng định cấu trúc bền của các cluster nghiên cứu, từ đó xác định các đặc trưng cấu trúc, tính chất năng lượng electron, năng lượng dao động điểm không (Zero Point Energy, ZPE), các thông số nhiệt động học. Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 51, 10 - 2017 119  Hóa học & Kỹ thuật môi trường 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1. Cấu trúc hình học của các cluster Sin và Sin+ (n=2-10) 3.1.1. Cluster trung hòa Sin Bằng việc sử dụng phiếm hàm mật độ B3P86 với bộ hàm cơ sở 6-311+G(d) để tối ưu hình học kèm theo các phép tính tần số dao động của các cluster Sin và Sin+. Từ đó thu được các giá trị năng lượng electron, năng lượng dao động điểm không, các thông số nhiệt động học cũng như cấu trúc hình học của các đồng phân đó. Chúng tôi tập trung nghiên cứu vào nhóm đồng phân có năng lượng thấp nhất để xác định cấu trúc bền của các cluster. Nhóm điểm đối xứng, trạng thái điện tử và độ dài liên kết trung bình của cụm nguyên tử silic và tần số dao động hóa trị của liên kết Si-Si trung cụm Sin được trình bày trong bảng 1. Bảng 1. Nhóm điểm đối xứng, trạng thái điện tử, độ dài liên kết trung bình của cụm nguyên tử (cluster) silic trung hòa Sin, cation Sin+ và tần số dao động hóa trị có cường độ cao trên phổ IR của liên kết Si-Si của cluster Sin (n=2-10). Các cấu trúc hình học của các cluster đ ...