بخشی از مقاله
چکیده - سولفید کادمیوم نیمه هادی گروه II-VI با شکاف باند مستقیم و برابر 2/42 eV در حالت توده می باشد. این ماده در تولید ادوات اپتوالکترونیکی کاربرد فراوان داشته و امروزه به دلیل زمانبر بودن و هزینه های بالای روشهای آزمایشگاهی، شبیه سازی خواص الکترونیکی نانو ساختارهای این ماده مورد توجه می باشد. در این مقاله شبیه سازی خواص الکترونیکی نانو ساختار نیمه هادی سولفید کادمیوم با روش تنگ بست انجام گرفته و در آن از پارامترهای SK استفاده شده است. شکاف باند در اندازه های مختلف محاسبه و با گزارشات تجربی مقایسه گردید بعلاوه نشان داده شد که افزایش اندازه در محاسبات صورت گرفته از اثر اندازه کوانتومی پیروی می کند.
- 1 مقدمه
امروزه با پیشرفت فناوری نانو در زمینه شبیه سازی، تولید و کاربرد مواد با اندازه های کوچک در صنایع مختلف، کاربرد نانو ساختارهای نیمه هادی به ویژه در تجهیزات نوری و الکتریکی افزایش یافته است. با توجه به زمانبر بودن و هزینه های بالای روشهای آزمایشگاهی ساخت و عدم امکان آزمون و خطا در رسیدن به مشخصات مورد نیاز از جمله شکاف باند، انرژی سطح پایه و غیره، می توان به روشهای شبیه سازی با خطای نسبتاً کم به اهداف مورد نظری که ملزومات ادوات الکترونیکی باشد، رسید.
شبیه سازی امروزه راه میانبری است برای اجتناب از پروژه های طاقت فرسا، زمانبر و پر هزینه آزمایشگاهی که معمولاً با خطاهای بسیاری از جمله خطای کاربر، ابزار آلات آزمایشگاهی، ناخالصی های مواد اولیه، عدم فراهم سازی شرایط دقیق آزمایش و غیره همراه است. امروزه عناصر ترکیبی از خانواده های III-V و II-VI به دلیل داشتن شکاف باند بزرگ و جذب و تشعشع در طیف مرئی مورد توجه قرار گرفته اند.[1] سولفید کادمیوم نیمه هادی گروه II-VI با شکاف باند 2/42 eV در حالت توده می باشد.[2]
این ماده را می توان به چهار ساختار مختلف بلوری تقسیم بندی کرد. ساختار شش گوشی - ورتزایت - ، مکعبی - زینک بلند - ، سنگ نمکی مکعبی و سنگ نمکی ناهمگون. از بین این ساختارهای بلوری، ساختار ورتزایت را می توان به صورت کانی گرونوکیت در طبیعت یافت . این ساختار بیشترین پایداری ترمودینامیکی را دارد. ساختار زینک بلند نیز یک ساختار تغییر یافته طبیعی و نیمه پایدار بوده که به صورت کانی کمیاب هاولییت در طبیعت یافت می شود. ساختارهای سنگ نمکی نیز تنها در شرایط پرفشار موجود می باشند.[ 3] شکل زیر ساختارهای زینک بلند و ورتزایت را نشان می دهد.
سولفید کادمیوم یک ماده با شکاف باند مستقیم بوده که در تجهیرات اپتوالکترونیکی کاربرد فراوانی دارد.[5] برای مدت چندصد سال از آن به عنوان رنگ دانه استفاده می شد ولی امروزه در ساخت تجهیزاتی مانند حسگرهای نوری، ادوات فوتوولتائیک و فوتورزیستورها کاربرد فراوان دارد .[6] در سال 1982 هنگ لین یک شیفت آبی در طیف جذب محلول کلوئیدی سولفید کادمیوم نسبت به توده این ماده مشاهده نمود[7] و پس از آن اولین تحقیقات بر روی نانوذرات سولفید کادمیوم در سال 1984 انجام شد.[8]
مهمترین مرحله پیشرفت این مطالعات در سال 1993 توسط گروه مورای و ابداع روشهای سنتز با انتخاب اندازه انجام گرفت.[ 9] در حال حاضر روشهای بسیار متنوعی برای ساخت نانوذرات سولفید کادمیوم وجود دارد که می توان از آنها به مواردی مانند محلولهای کلوئیدی، لایه نشانی شیمیایی، سل-ژل، فاز بخار، کاتد پراکنی مغناطیسی، لایه نشانی الکترواستاتیکی و غیره اشاره نمود .[10] کوچکترین اندازه قابل دسترس به صورت آزمایشگاهی از 0/7 nm با شکاف باند 3/85eV محقق شده است.[11]
2 -انواع روشهای شبیه سازی
به طور طبیعی بسیاری از خواص فیزیکی که در مواد نانومتریک - 1-100nm - رخ می دهد[13]، تنها با مکانیک کوانتومی قابل بررسی هستند15]،.[14 این خواص از جمله خصیصه های نوری و الکتریکی در نیمه هادی ها، به شدت به اندازه آنها در ساختار کریستالی وابسته می باشد. همچنین خواص فیزیکی نیز تابعی از شکل و اندازه است . بعنوان مثال می توان طیف لومینسانس این نانوذرات را با تغییر اندازه تنظیم نمود.[16]
به این علت اثر اندازه کوانتومی یا انحصار کوانتومی گویند.[14] در سیستم های با ابعاد کوچک محاسبات ساختار انرژی با دو روش اصلی صورت می گیرد. روش اول که مورد استفاده شیمیدانها می باشد روش ab initio نام دارد که در آن یک همیلتونی واقعی مولکولی برای محاسبات بکار می رود و از داده های تجربی در محاسبات استفاده نمی شود.
این روش مبتنی بر روشهای محاسباتی میدان خود سازگار هارتری- فوک، روش برهم کنشی آرایشی، کلاستر کوپل شده، تابع چگالی و غیره می باشد که با تمام فواید و دقت در محاسبات، انجام آن در سیستمهای با تعداد اتمهای زیاد غیر ممکن می باشد. روش دوم نیز بر اساس یک هامیلتونی ساده تر از همیلتونی واقعی و با استفاده از نتایج تجربی کار می کند که در محاسبات ساختار باند الکترونی بسیار قدرتمند عمل می کند و محدودیتهای روش اول را ندارد، ولی در کل روشی بسیار مشکل می باشد. از جمله این روشها مدل ابر الکترون آزاد، تنگ بست و غیره را می توان نام برد.[17-19]
تعداد پارامترهای مورد نظر نسبتاً زیاد است و بعنوان مثال در یک مدل spd کامل، 9+3+5=9 اوربیتال روی هر سایت داریم و آنها باید9×9=81 انتگرال بین هر زوج اتم ایجاد نمایند. یعنی اندرکنش آنیون -آنیون ، کاتیون-کاتیون و کاتیون- آنیون باید به بهترین صورت مدل شوند. اگرچه به دلیل تقارن تا حد زیادی تعداد این انتگرالهای مستقل ایجاد شده کاهش می یابد - SK - اسلاتر و کستر . - 1954 نشان داده شده است که در موارد عمومی - اتمهای متفاوت - تنها 19 عدد از این 81 انتگرال غیر صفر هستند و تنها 15 تای آنها غیر وابسته اند.
-2-2بررسی اوربیتالها در سولفید کادمیوم
عنصر کادمیوم با عدد اتمی 48 دارای 2 الکترون در اوربیتال s سطح پنجم انرژی بوده و عنصر سولفور با عدد اتمی 16 دارای 2 الکترون در اوربیتال s و 4 الکترون در اوربیتال p سطح سوم انرژی می باشد.
