Кванттық химиялық есептеу әдістері

Қазақстан Республикасының білім және ғылым министрлігі

Л. Н. Гумилев атындағы Еуразия ұлттық университеті

Қизатов Мұхамед Дәнешұлы

CdS, CdSe наноқұрылымдарын кванттық-химиялық модельдеу

Дипломдық жұмыс

5B072300 - «Техникалық физика» мамандығы

Нұр-Сұлтан 2021

Қазақстан Республикасының білім және ғылым министрлігі

Л. Н. Гумилев атындағы Еуразия ұлттық университеті

Қорғауға жіберілді:

«Техникалық физика»

кафедрасының меңгерушісі

Ж. М. Салиходжа

«__» 20__ ж.

Дипломдық жұмыс

CdS, CdSe наноқұрылымдарын кванттық-химиялық модельдеу

5B072300 - «Техникалық физика» мамандығы

Орындады:

М. Д. Қизатов

Орындады::

Ғылыми жетекшісі:

ф. -м. ғ. к., доцент

:

М. Д. Қизатов: Ж. М. Салиходжа

Орындады::

:

М. Д. Қизатов:

Нұр-Сұлтан 2021

Л. Н. Гумилев атындағы Еуразия ұлттық университеті

Физика-техникалық факультеті

«Техникалық физика» кафедрасы

5В072300-«Техникалық физика» мамандығы

Бекітемін

Кафедра меңгерушісі

Салиходжа Ж. М.

«25» желтоқсан 2020ж.

Диплом жұмысын орындауға арналған

ТАПСЫРМА

Қизатов Мұхамед Дәнешұлы

«Техникалық физика» мамандығы, 4 курс, 5В072300, күндізгі бөлім

1. Жұмыстың тақырыбы «CdSе, CdS наноқұрылымдарын кванттық-химиялық модельдеу» «22» желтоқсан 2020 ж. берілген № 67-п бұйрығымен бекітілген.

2. Студент аяқтаған жұмысты тапсыру мерзімі «7» мамыр 2021 ж.

3. Жұмыстың негізгі деректері: CdSe және CdS құрылымы, физикалық-химиялық қасиеттері, кванттық-химиялық модельдеу әдістері туралы әр түрлі ақпарат көздерінен алынған мәліметтер.

4. Дипломдық жұмыста қарастырылған мәселелер: MOPAC 2016 бағдарламасымен кванттық-химиялық есептеу әдістерінің жартылай эмпиркалық есептеу әдісіне жататын PM7 параметрленуі бар әдіспен есептеулер жүргізу.

5. Графикалық материалдар тізімі (суреттер, кестелер және т. б. ) : CdS және CdSe, сонымен қатар Sе және S қоспаларымен жасалған наноқұрылымдарының модельдері.

6. Негізгі әдебиеттер тізімі:

• Береснев, В. М. Нанокристаллические и нанокомпозитные покрытия, структура, свойства Текст. / В. М. Береснев, А. Д. Погребняк, H. A. Азаренков, В. И. Фареник, Г. В. Кирик // Физическая инженерия поверхности. 2007. - Т. 5. - № 1-2. - 4-27 c.
• Булыгина Е. В. Макарчук В. В. Панфилов Ю. В. Оя Д. Р. Шахнов В. А Наноразмерные структуры: классификация, формирование и исследование Учебное пособие для Вузов. - М. : САЙНС-ПРЕСС, 2006, - 80 с., ил. ISBN 5-94818-001-5.
• Федоров А. В. Физика и технология гетероструктур, оптика квантовых наноструктур. Учебное пособие. - СПб: СПбГУ ИТМО., 2009. 195 c.
• Парфенов В. В. Квантово-размерные структуры в электронике: оптоэлектроника (элементы теории, руководство и задания к лабораторным работам) . // Методическое пособие для студентов физического факультета. - Казань. 2007. - 16 с.
• Лукашин А. В., А. А. Елисеев. // Химические методы синтеза наночастиц., Москва 2007. // http://docplayer. ru/155414-Himicheskie-metody-sinteza-nanochastic. html
• Максимов А. И., Мошников В. А., Таиров Ю. М., Шилова О. А. Основы золь-гель технологии нанокомпозитов. // СПб. : ООО «Техномедиа» / Изд-во «Элмор», 2008. -255 с.
• Степанов Н. Ф. Квантовая механика и квантовая химия. - М. : Мир, 2001. - 519 с., ил. (Теоретические основы химии) . ISBN 5-03-003414-5
• Кобзев Г. И. К55 Применение неэмпирических и полуэмпирических методов в квантово-химических расчетах: Учебное пособие. - Оренбург: ГОУ ОГУ, 2004. - 150 с.

7. Жұмыс бойынша тиісті бөлімдерде көрсетілген кеңестер:

Бөлім

Ғылыми жетекші

Тапсырма берілу уақыты

Тапсырма бердім

(қолы)

Тапсырма алдым

(қолы)

Бөлім: Кіріспе,

Ғылыми жетекші: ф. -м. ғ. к., доцент Салиходжа Ж. М.

Тапсырма берілу уақыты: 13. 12. 2020

Тапсырма бердім(қолы):

Тапсырма алдым(қолы):

Бөлім:

1-Бөлім.

Әдебиеттерге шолу

Ғылыми жетекші: ф. -м. ғ. к., доцент Салиходжа Ж. М.

Тапсырма берілу уақыты: 15. 12. 2020

Тапсырма бердім(қолы):

Тапсырма алдым(қолы):

Бөлім: Зерттеу нысандарының физика-химиялық қасиеттері.

Ғылыми жетекші: ф. -м. ғ. к., доцент Салиходжа Ж. М.

Тапсырма берілу уақыты: 22. 01. 2021

Тапсырма бердім(қолы):

Тапсырма алдым(қолы):

Бөлім: Кванттық-химиялық модельдеу әдістері

Ғылыми жетекші: ф. -м. ғ. к., доцент Салиходжа Ж. М.

Тапсырма берілу уақыты: 18. 02. 2021

Тапсырма бердім(қолы):

Тапсырма алдым(қолы):

Бөлім: CdS, CdSe наноқұрылымдарының кванттық-химиялық зерттеу

Ғылыми жетекші: ф. -м. ғ. к., доцент Салиходжа Ж. М.

Тапсырма берілу уақыты: 05. 03. 2021

Тапсырма бердім(қолы):

Тапсырма алдым(қолы):

Бөлім: Қорытынды

Ғылыми жетекші: ф. -м. ғ. к., доцент Салиходжа Ж. М.

Тапсырма берілу уақыты: 04. 04. 2021

Тапсырма бердім(қолы):

Тапсырма алдым(қолы):

8. Дипломдық жұмыстың орындалу графигі

Тапсырманың берілген уақыты «25» желтоқсан 2020ж.

Мазмұны

Анықтамалар, Қысқартулар мен белгілеулер

КІРІСПЕ

Дипломдық жұмыстың өзектілігі. Соңғы жылдары конденсирленген күй физикасының өзекті мәселелерінің бірі наноқұрылымдарды (нанонүктелер, нанокластерлер, наноқабаттар) Күн элементтерінің тиімділігін арттыру мақсатында қолдану болып табылады. Осы бағытта заманауи физика және химия ғылымдары саласында орасан көп теориялық және эксперименттік зерттеулер жүргізілуде. Теориялық модельдердің дұрыстығын немесе аса қымбат қондырғыларда тазалығы жоғары химиялық прекурсорларды тиімді қолдануды негіздеу үшін ғалымдар көбіне кванттық химиялық моделдеу әдістеріне жиі жүгінуде. Компьютерлік техниканың қарыштап дамуы және арнайы кванттық химиялық бағдарламалардың жасалуы кванттық химиялық моделдеудің нәтижелерінің эксперимент нәтижелеріне өте жақын болуын, демек, нәтижелердің дәлдігінің жоғары болуын қамтамасыз етуде. Сондықтан заманауи конденсирленген күй физикасында, наноқұрылымдарды зерттеулерде кванттық химиялық моделдеудің орыны өте жоғары.

Заманауи энергетика саласының негізгі шикізаты жер қойнауынан алынатын көмір, мұнай мен газ екендігі белгілі. Әртүрлі әлемдік ғылыми орталықтардың бағалаулары бойынша жер қойнауындағы бұл шикізаттардың қоры үнемді пайдаланғанда ең көп дегенде 150-200 жылға жетуі мүмкін. Алайда, бұл энергия көздерінің табиғатты (қоршаған ортаны) қайтымсыз ластандыратынын ескеретін болсақ, онда баламалы энергия көздерін қолдану уақыт күттірмейтін іс екендігі анық. Сондықтан соңғы жылдары бүкіл әлемде баламалы энергия көздерін қолдану тренді жолға қойылуда. Баламалы энергия көздеріне Күннің сәулелік энергиясы, желдің кинетикалық энергиясы, геотермальды энергия және кіші гидроэнергия көздерін жатқызуға болады. Қазақстанның географиялық, климаттық ерекшеліктерін ескеретін болсақ, негізгі баламалы энергия көздері ретінде Күннің сәулелік энергиясы мен Желдің кинетикалық энергиясын қарастыруымыз керек. Ал, гидроэнергетиканы тек өзендері көп таулы-қыратты аймақтарда қолдануға болады. Еліміздің орталығы мен солтүстігінде Жел энергетикасын қолданған тиімді болса, оңтүстік аймақтарда Күн энергиясын қолдану тиімдірек. Осы мәселелерді ескеріп елімізде Күн және Жел энергетикасын дамыту қолға алынуда.

Қазіргі кезде Күннің сәулелік энергиясын электр энергиясына түрлендіру үшін кремний негізінде жасалған фототүрлендіргіштер қолданылады. Күн панельдерінің тиімділігі шектеулі. Оның шегін кремнийдің жұту спектрі анықтайтындығы белгілі. Кремнийдің рұқсат етілмеген аймағының ені 1, 11 эВ. Сол себептен алдыңғы қатарлы әлемдік зертханаларда жасалған күн элементтерінің тиімділігі шамамен 47%-ды құрайды. Коммерциялық Күн панельдерінің тиімділігі шамамен 15-16 % шамасында. Бұл Күн панельдерінің тиімділігін арттыру үшін Күн сәулесінің спектріндегі күлгін аймақтан қызғылт аймақ аралығындағы толқындарды қызғылт-қызыл аймақтағы оптикалық толқындарға айналдыру керек. Тек осы шарт орындалғанда сәуле энергиясының есебінен жартылай өткізгіштің ішінде генерацияланатын электрон-кемтіктік жұптар саны көбейеді.

Соңғы жылдары бұл мәселені шешу үшін кванттық қасиеттерге ие наноқұрылымдар қолданылады. Мөлдір полимер ішінде біртекті араласқан кванттық нүктелер осындай қызмет атқарады. Мұндай кванттық нүктелер ядро/қабыршақ (core/shell) құрылымды етіп жасалады. Осындай кванттық нүктелердің мысалы ретінде CdSe/CdS, CdSe/ZnS, InAs/InP/ZnSe, InP/ZnS және т. б. қарастыруға болады. Мөлдір полимерге түскен Күн жарығын кванттық нүктенің қабыршағы жұтып, өзінің табиғатына сәйкес жарық толқынын шығарады. Бұл жарық толқындарын кванттық нүктенің ядросы жұтып, өзіне тән жарық толқынын шығарады. Осы соңғы жарық толқыны кремнийдің тиімді жұту аймағына сәйкес болуы тиіс. Осылай кремнийдің жұту аймағына сәйкес толқын ұзындығына ие болатын фотондар саны көбейтіледі. Бұл фотондар әсерінен жартылай өткізгіш ішінде түзілетін электрондар мен кемтіктер саны сәйкесінше көп болады.

Ғылыми жаңашылдығы. Өлшемдері әр түрлі CdSe және CdS наноқұрылымдарының моделдері жасалды. МОРАС 2016 бағдарламасын қоданып осы наноқұрылымдардың физика-химиялық қасиеттері зерттелді. CdSe және CdS наноқұрылымдарының рұқсат етілмеген аймағының ені - E _g энергиясы бағаланды. Кванттық-өлшемдік құбылыстың орын алатындығы көрсетілді.

Зерттеу объектісі. CdSe және CdS наноқұрылымдары, CdSe(S) және CdS(Sе) наноқұрылымдары зерттелді.

Жұмыстың мақсаты. Әр түрлі өлшемді CdSe және CdS наноқұрылымыдарын жартылай эмпирикалық кванттық-химиялық РМ7 жуықтауында модельдеу арқылы сол наноқұрылымдардың рұқсат етілмеген аймақтарының енін бағалау және кванттық-өлшемдік құбылысты зерттеу.

Дипломдық жұмыстың мақсатына жету үшін мынадай мәселелер қойылды:

• Кванттық химияның теориялық негіздерін оқып үйрену;
• Кванттық нүктелердің қасиеттерін оқып үйрену;
• Кванттық химиялық моделдеу әдістерін оқып үйрену;
• Кванттық химиялық MOPAC 2016 бағдарламасын меңгеру;
• CdS, CdSe наноқұрылымдарының моделін жасау;
• Кванттық нүктелердің кванттық-өлшемдік әсерін зерттеу;
• Алынған нәтижелерді талдау, графиктерін құру және қорытынды жасау.

Дипломдық жұмыстың көлемі және құрылымы. Дипломдық жұмыс мазмұнынан, кіріспеден, үш бөлімнен, қорытындыдан және қолданылған әдебиеттер тізімінен тұрады. Дипломдық жұмыстың жалпы көлемі 65 беттен, сонымен қатар 51 суреттен, 7 кестеден және 31 әдебиеттік сілтемеден тұрады.

1 Нанокристалдарды алу әдістері және оларды зерттеу

1. 1 Наноқұрылымдарды алу әдістері

Қазіргі уақытта нанокристалдарды, наноматериалдарды, нанобөлшектерді алу және оның құрылымдарын, қасиеттерін зерттеу кезінде көптеген әдістер қолдануда. Осы зерттеулер жайлы біз ғылыми әдебиеттерге шолу бөлімінде қандай ғалымдар белгілі бір нанокристалды немесе нанобөлшекті алу жолдарын, әдістерін және олардың құрылымы мен қасиеттері жайлы осы бөлімде қарастыратын боламыз.

Соның бірі қазіргі таңда дисперсиялы материалдар мен көлемді тым ұсақ түйірлерді алу үшін әдістер қаралған. Құрылымды элементтер өлшемдерін кішірейткен кезде (бөлшектер, кристаллиттер, түйірлер), кейбір шекті шамалар, физика-механикалық қасиеттерін едәуір өзгертеді. Мұндай қасиеттер материалдағы түйірдің орташа өлшемі 40 нм-ден кем болмауы тиіс. Заттар мен материалдардың классификациясына сәйкес оларды нанокристаллдық заттар деп атау қажет. Талдау нәтижелері көрсеткендей түйірлер өлшемі нанокристалдық материалдарда түйірлер шектерінің күйі мен құрылымында маңызды роль атқарады. Бұл түйір бөліктерінің шектері айнымалы күйде тұрған материалдарға ықпал етеді, ол түйірлердің өскен кезде бөлме температурасы жағдайында өздігінен пайда болатын релаксацияға алып келеді. Ескеретін жайт, түйірдің өзінде әр түрлі ақаулар болуы мүмкін (вакансия, дислокация), таралулары ірі түйірлерге қарағанда ерекше бөлек болып келеді. Мұндай металлдық материалдарды қалыптастыру үшін негізінен интенсивті пластикалық деформация, аморфты қорытпаларының кристаллизациясы, түйіршіктерді тығыздау және т. б. әдістерді қолданады. Сондықтан нанокристаллдық, нанокомпозитті материалдардың жабынды ретінде қалыптастыру, тұндыру әдісімен алу заңдылықтары ғылыми және практикалық жағынан қызығушылық тудыруда [1] .

Нанокомпозитті жабындылар материалдардың жаңа генерациясын көрсетеді. Олар ең азы дегенде нанокристаллды және аморфты құрылымды екі фазадан тұрады. Нанокомпозиттер әр түрлі наноқұрылымды бола алады. Мысалы,

1. Колумнарлы наноқұрылымды нанокомпозиттер - олар біріктірілген наноколумнарлы құрылымда екінші ретті фазаның (негізгі материалдың) саны барлық түйірлердің беткі қабатын қаптау үшін жеткіліксіз болып келеді.
2. Бірнеше нанотүйірлерден құралған негізгі материалдың толық фазамен қоршалған нанокомпозит.
3. Тығыз әрі үлкен наноқұрылымды, әр түрлі нанотүйірлі материалдардан құралған немесе бір материалдан тұратын әр түрлі кристаллографиялық бағыты бар нанокомпозит болып табылады.

Осылайша біз жақын арада наноқұрылымды пленкаларды наноқұрылымдалған көлемді материалдармен берілген қасиетіне байланысты тәжірибелі модель ретінде қолдана аламыз.

Наноқұрылым жасау үшін негізгі перспективті әдістердің біріне мыналарды жатқызуымызға болады:

• Электронолитография және наноимпринт;
• Эпитаксиальді әдістер;
• Өздігінен қалыптасу және синтез (матрицада немесе үлгілерде) ;
• Зондтық әдістер;
• Жұқа қабықшалар қалыртасуы үшін вакуумды әдістер.

Классикалық оптика мен рентгендік литографиямен салыстырғанда, электронды литография негізгі басымдылыққа ие. Ол нанометрлі өлшемді үлгіні алу үшін эффективті әдіс болып табылады, әсіресе толқын ұзындықтары 0, 1 нм болатын жылдам электрондар алуға мүмкіндік береді. Бірақ электрондардың таралуы 10 нм ретімен шектелген. Электронорезисторлар үш хлорбензолында еритін полиметилметакрилат болуы мүмкін, немесе хлорметил ретінде кездесуі мүмкін. Бұл әдістің төмен өнімділігінің себебі өндірісте оны кең қолданбауында [2] .

Эпитаксальді әдістер (молекулалық-сәулелі эпитаксия) газ қоспа буының тұндырмасынан алынған локальді эпитаксия, күрделі құрылымның беткі қабат эпитаксиясы. Кванттық нүкте алу үшін құрылымның беткі қабатын эпитаксальді өсіру әдісін қолданады. Кең тараған әдістер өсіп келе жатқан нанокристалдардың механикалық кернеу арқасында өсіп жатқан материалды алады. Оларды жинаған кезде құрылымда берілген формасы мен өлшеміне байланысты нанобөлшектің агрегациясы пайда болуы мүмкін, ал агрегация сипаттамасы энтропия ретінде процестің спонтанды түрде толық энергия жүйесінің мимниализациясына не молекуланың химиялық байланысындай кездеседі. Алынатын кристалл өлшемі 30 нм кем болмайды [3] .

1. 2 Кванттық-өлшемдік құрылымдардың типтері

Наноқұрылымдардың ең басты қасиеті олардың қасиеттерінің өзіндік әртектілігінің өлшемдеріне деген тәуелділігінде болып табылады. Бұл қасиеттің анағұрлым танымал көрінісі - «өлшемдік квантталу құбылысы» деп аталатын құбылыс. Ол келесідей шартталған: осындай жүйедегі әртектілік аумағындағы қарапайым қозулардың қозғалысын кеңістіктік шектеу олардың энергетикалық спектрінің қайта құрылуына әкеледі. Ақырғы өлшемдегі кез келген объектідегідей (Сурет 1) «көлемдік» біртекті кристалдық материалдарда олардың өзіндік қозулары - электрондар, кемтіктер, экситондар, тордың тербелісі және басқа да толқындар мен бөлшектері, жалпы айтқанда, дискретті энергетикалық спектрге ие [4] .

Сурет 1 - Көлемді материалдың электронды кіші жүйесінің энергетикалық спектрінің сызбалық көрінісі [4, p. 15]

Алайда бұл дискреттіліктің өзіне тән масштабы, яғни көршілес ΔE күйлердің арасындағы энергетикалық арақашықтық, осы күйлердің τ теріс өмір уақытымен анықталатын спектрлік енімен салыстырғанда кіші. Бұл мағынада көлемді материалдың өзіндік қозуларының үздіксіз энергетикалық спектрі туралы айтуға болады. Сонымен қатар, көлемді материалды L _z өлшемі өзінің қозуларының l дербес қашықтығынан үлкен етіп сипаттауға болады. Дербес қашықтық ұзындығын сипаттаушы масштаб ретінде енгізу түсіндірулі, себебі өзіндік қозулар exp(ikz) қума толқындарымен сипатталуы мүмкін. Егер материал өлшемі кішірейіп, дербес қашықтық ұзындығынан төмен болса (Сурет 2), толығырақ айтсақ, көршілес күйлер арасындағы энергетикалық саңылау олардың теріс өмір уақытынан асып кетсе, қарапайым қозулардың энергетикалық спектрі дисктретті деп есептелуі тиіс. Жоғарыда айтылған құбылыс өлшемдік квантталу құбылысы болып табылады, ал сәйкесінше құрылымдар кванттық-өлшемдік деп аталады. Бұл жағдайда ағынсыз толқын түріндегі қарапайым қозудың материал шекарасынан шағылуы өте маңызды [4, p. 15] .

Сурет 2 - Наноқұрылымның электронды кіші жүйесінің энергетикалық спектрінің сызбалық көрінісі [4, p. 16]

Алғашында көлемді және кванттық-өлшемдік материалдар арасындағы айырмашылық тек сандық болып көрінуі мүмкін. Алайда мұндай тұжырым мүлде қате болады. Шынында, көлемді материалдардың физикалық қасиеттері олардың өлшемі мен формасына тәуелді емес. Әсіресе олардың өзіндік қозуларының энергетикалық спектрінің дискреттілігі тәжірибе жүзінде ешқалай көрінбейді. Ал кванттық-өлшемдік құрылымдармен жағдай өзгешеленеді. Оларда энергетикалық спектрлер ғана емес, қарапайым қозулардың өзара және сыртқы өрістермен қатынасы да құрылымның өлшемі мен формасына тәуелді.

Кіші өлшемді құрылымдардың ішінде үш қарапайым құрылымды бөліп көрсетуге болады. Олар квант шұңқырлары, кванттық тізбектер және квант нүктелері (Сурет 3) . Бұл қарапайым құрылымдар бір, екі және үш өлшеуде кеңістіктік шектелген кристалдық материал түрінде көрініс табады. Наноқұрылымдарды жасау үшін барлық мүмкін жартылай өткізгіш қосылыстарды, Si және Ge төртінші топтағы жартылай өткізгіштерді қолданады.

Сурет 3 - Квант шұңқырлары (a), квант тізбектері (b), квант нүктелері (c)

---

Сіз бұл жұмысты біздің қосымшамыз арқылы толығымен тегін көре аласыз.

• Іс жүргізу
• Автоматтандыру, Техника
• Алғашқы әскери дайындық
• Астрономия
• Ауыл шаруашылығы
• Банк ісі
• Бизнесті бағалау
• Биология
• Бухгалтерлік іс
• Валеология
• Ветеринария
• География
• Геология, Геофизика, Геодезия
• Дін
• Ет, сүт, шарап өнімдері
• Жалпы тарих
• Жер кадастрі, Жылжымайтын мүлік
• Журналистика
• Информатика
• Кеден ісі
• Маркетинг
• Математика, Геометрия
• Медицина
• Мемлекеттік басқару
• Менеджмент
• Мұнай, Газ
• Мұрағат ісі
• Мәдениеттану
• ОБЖ (Основы безопасности жизнедеятельности)
• Педагогика
• Полиграфия
• Психология
• Салық
• Саясаттану
• Сақтандыру
• Сертификаттау, стандарттау
• Социология, Демография
• Спорт
• Статистика
• Тілтану, Филология
• Тарихи тұлғалар
• Тау-кен ісі
• Транспорт
• Туризм
• Физика
• Философия
• Халықаралық қатынастар
• Химия
• Экология, Қоршаған ортаны қорғау
• Экономика
• Экономикалық география
• Электротехника
• Қазақстан тарихы
• Қаржы
• Құрылыс
• Құқық, Криминалистика
• Әдебиет
• Өнер, музыка
• Өнеркәсіп, Өндіріс