Молекулярные кристаллы халькогенидов обнаруживают широкий спектр изменений химических и физических свойств под действием света с энергией, превышающей ширину запрещенной зоны. Большинство этих свойств определяются электронной структурой. Однако по электронной структуре As4Se4 имеется лишь несколько теоретических статей по молекуле и всего только две - по кристаллу As4Se4. В настоящей работе впервые были сопоставлены геометрическая и электронная структура кристалла As4Se4 и молекулы As4Se4, рассчитанные в рамках периодической модели методом DFT в одних и тех же приближениях. При этом были рассчитаны равновесные длины связей и валентные углы вместе с разностными электронными плотностями, зарядами Малликена, Лёвдина и Бадера, а также Малликеновскими заселенностями перекрывания, и проведён сравнительный анализ характера химической связи в кристалле As4Se4 и молекуле As4Se4. Выполненные DFT расчеты зонной структуры показали, что кристалл As4Se4 является непрямозонным полупроводником.
Сhalcogenide crystals reveal a wide range of changes in chemical and physical properties under band gap light illumination. A majority of these properties are determined by the electronic structure. However, to date there are only a few theoretical articles on the electronic structure of the As4Se4 molecule and only two on the As4Se4 crystal. We have studied, for the first time, the geometric and electronic structure of the As4Se4 crystal versus the As4Se4 molecule in the framework of a periodic model by the DFT method within the same approximations. Equilibrium bond lengths and bond angles were calculated together with charge density differences, Mulliken, Löwdin and Bader charges, and also Mulliken overlap populations, and were compared for the crystal and the molecule. A character of chemical bonding in the As4Se4 crystal versus the As4Se4 molecule was analyzed. The bandstructure DFT calculations were carried out and demonstrated that the As4Se4 crystal is an indirect-gap semiconductor.
Идентификаторы и классификаторы
- Префикс DOI
- 10.33910/2687-153X-2024-5-2-91-103
- eLIBRARY ID
- 73162534
Amorphous chalcogenide materials which represent alloys of S or Se with such metals as As, Ge etc. reveal a wide range of changes in chemical and physical properties under band gap light illumination (Elliott 1986; Kolobov 2003; Kolobov, Elliott 1995; Owen et al. 1985). These changes can be reversible or irreversible. While photoinduced structural changes in chalcogenide glasses have been studied intensively since 1980s (Shimakawa et al. 1998; Tanaka 2001; Yang et al. 1987), the electronic structure of molecular chalcogenide crystals together with the photoinduced transition mechanisms have remained deficiently explored. For example, in the As4Se4 molecular crystal transition from a crystalline to an amorphous phase can be induced by band gap light (Kolobov, Elliott 1995), and this transition may be reversible. In paper (Krecmer et al. 1997) the another reversible effect, namely so-called the optomechanical effect with the reversible optical-induced optical anisotropy (dichroism), was observed in amorphous As50Se50 thin films. Following the paper (Krec-mer, Moulin, Stephenson et al. 1997) upon irradiation with polarized light, thin films of amorphous As50Se50, exhibit reversible nanocontraction parallel to the direction of the electric vector of the polarized light and nanodilatation along the axis orthogonal to the electric vector of the light.
Список литературы
- Anderson, P. W. (1969) Localized orbitals for Molecular Quantum Theory. I. The Huckel Theory. Physical Review, 181 (1), 25–32. https://doi.org/10.1103/PhysRev.181.25 (In English)
- Babić, D., Rabii, S. (1988) Self-consistent-field Xα scattered-wave calculation of the electronic structure of arsenic chalcogenide molecules. Physical Review B, 38 (15), 10490–10498. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.38.10490 (In English)
- Babić, D., Rabii, S., Bernholc, J. (1989) Structural and electronic properties of arsenic chalcogenide molecules. Physical Review B, 39 (15), 10831–10838. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.39.10831 (In English)
- Bader, R. F. W. (1990) Atoms in molecules: A Quantum Theory. Oxford: Oxford University Press, 438 p. (In English)
- Bader, R. F. W., Anderson, S. G., Duke, A. J. (1979) Quantum topology of molecular charge distributions. 1. Journal of the American Chemical Society, 101 (6), 1389–1395. https://doi.org/10.1021/ja00500a006 (In English)
- Bastow, T. J., Whitfield, H. J. (1973) Crystal structure of tetra-arsenic tetraselenide. Journal of the Chemical Society, Dalton Transactions, 17, 1739–1740. https://doi.org/10.1039/DT9730001739 (In English)
- Beran, G. J. O. (2016) Modeling polymorphic molecular crystals with Electronic Structure Theory. Chemical Reviews, 116 (9), 5567−5613. https://doi.org/10.1021/acs.chemrev.5b00648 (In English)
- Blochl, P. E. (1994) Projector augmented-wave method. Physical Review B, 50 (24), 17953–17979. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.50.17953 (In English)
- Bullett, D. W. (1975) Electronic structures of layer and chain elements by a local orbital method. The Philosophical Magazine: A Journal of Theoretical Experimental and Applied Physics. Series 8, 32 (5), 1063–1074. https://doi.org/10.1080/14786437508221674 (In English)
- Bullett, D. W. (1976a) Electronic structure of arsenic chalcogenides. Physical Review B, 14 (4), 1683–1692. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.14.1683 (In English)
- Bullett, D. W. (1976b) Density of states calculation for crystalline As and Sb. Solid State Communications, 17 (8), 965–967. https://doi.org/10.1016/0038-1098(75)90230-6 (In English)
- Chen, I. (1975) Electronic structures of As4Se4 and Se8. Physical Review B, 11 (10), 3976–3982. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.11.3976 (In English)
- Cherin, P., Unger, P. (1967) The crystal structure of trigonal selenium. Inorganic Chemistry, 6 (8), 1589–1591. https://doi.org/10.1021/ic50054a037 (In English)
- Cherin, P., Unger, P. (1972) Refinement of the crystal structure of α-monoclinic Se. Acta Cristallographica, B28, 313–317. https://doi.org/10.1107/S0567740872002249 (In English)
- Clark, S. J., Segall, M. D., Pickard, C. J. et al. (2005) First principles methods using CASTEP. Zeitschrift fur Kristallographie — Crystalline Materials, 220 (5–6), 567–570. https://doi.org/10.1524/zkri.220.5.567.65075 (In English)
- Dal Corso, A. (2014) Pseudopotentials periodic table: From H to Pu. Computational Materials Science, 95, 337–350. https://doi.org/10.1016/j.commatsci.2014.07.043 (In English)
- Giannozzi, P., Andreussi, O., Brumme, T. et al. (2017) Advanced capabilities for materials modelling with Quantum ESPRESSO. Journal of Physics: Condensed Matter, 29 (46), article 465901. https://doi.org/10.1088/1361-648X/aa8f79 (In English)
- Giannozzi, P., Baroni, S., Bonini, N. et al. (2009) QUANTUM ESPRESSO: A modular and open-source software project for quantum simulations of materials. Journal of Physics: Condensed Matter, 21 (39), article 395502. https://doi.org/10.1088/0953-8984/21/39/395502 (In English)
- Goldstein, P., Paton, A. (1974) The crystal and molecular structure of tetrameric arsenic selenide, As4Se4. Acta Сristallographica, B30, 915–920. https://doi.org/10.1107/S0567740874004043 (In English)
- Grimme, S. (2006) Semiempirical GGA-type density functional constructed with a long-range dispersion correction. Journal of Computational Chemistry, 27 (15), 1787–1799. https://doi.org/10.1002/jcc.20495 (In English)
- Elliott, S. R. (1986) A unified model for reversible photostructural effects in chalcogenide glasses. Journal of Non- Crystalline Solids, 81 (1–2), 71–98. https://doi.org/10.1016/0022-3093(86)90260-7 (In English)
- Elliott, S. R. (1990) Physics of Amorphous Materials. London; New York: Longman Publ., 387 p. (In English)
- Eyert, V. (1996) Comparative study on methods for convergence acceleration of iterative vector sequences. Journal of Computational Physics, 124 (2), 271–285. https://doi.org/10.1006/jcph.1996.0059 (In English)
- Hamann, D. R. (2013) Optimized norm-conserving Vanderbilt pseudopotentials. Physical Review B, 88 (8), article 085117. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.88.085117 (In English)
- Hasan, S. (2021) First-principles study of the electronic structure, bonding, optical, mechanical, and thermoelectric properties of bulk chalcogenide crystals. PhD dissertation (Physics and Mathematics). Kansas, University of Missouri-Kansas City, 213 p. (In English)
- Hasan, S., Baral, K., Ching, W.-Y. (2019) Total bond order density as a quantum mechanical metric for materials design: Application to chalcogenide crystals. Preprints, article 2019060199. [Online]. Available at: https://www.preprints.org/manuscript/201906.0199/v1 (accessed 20.03.2024). (In English)
- Henkelman, G., Arnaldsson, A., Jonsson, H. (2006) A fast and robust algorithm for Bader decomposition of charge density. Computational Materials Science, 36 (3), 354–360. https://doi.org/10.1016/j.commatsci.2005.04.010 (In English).
- Kolobov, A. V. (2003) Photo-induced metastability in amorphous semiconductors. Hoboken: Wiley Publ., 412 p. http://dx.doi.org/10.1002/9783527602544 (In English)
- Kolobov, A. V., Elliott, S. R. (1995) Reversible photo-amorphization of crystalline films of As50Se50. Journal of Non-Crystalline Solids, 189 (3), 297–300. https://doi.org/10.1016/0022-3093(95)00245-6 (In English)
- Krecmer, P., Moulin, A. M., Stephenson, R. J. et al. (1997) Reversible nanocontraction and dilatation in a solid induced by polarized light. Science, 277 (5333), 1799–1802. https://doi.org//10.1126/science.277.5333.1799 (In English)
- Kresse, G., Joubert, D. (1999) From ultrasoft pseudopotentials to the projector augmented-wave method. Physical Review B, 59 (3), 1758–1775. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.59.1758 (In English)
- Li, J., Drabold, D. A., Krishnaswami, S. et al. (2002) Electronic Structure of Glassy Chalcogenides As4Se4 and As2Se3: A Joint Theoretical and Experimental Study. Physical Review B, 88 (4), article 046803 https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.88.046803 (In English)
- Lowdin, P.-O. (1950) On the non-orthogonality problem connected with the use of atomic wave functions in the theory of molecules and crystals. The Journal of Chemical Physics, 18 (3), 365–375. https://doi.org/10.1063/1.1747632 (In English)
- Monkhorst, H. J., Pack, J. D. (1976) Special points for Brillouin-zone integrations. Physical Review B, 13 (12), 5188–5192. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.13.5188 (In English)
- Mulliken, R. S. (1955) Electronic Population Analysis on LCAO-MO molecular wave functions. I. The Journal of Chemical Physics, 23 (10), 1833–1840. https://doi.org/10.1063%2F1.1740588 (In English)
- Owen, A. E., Firth, A. P., Ewen, P. J. S. (1985) Photo-induced structural and physico-chemical changes in amorphous chalcogenide semiconductors. Philosophical Magazine Part B, 52 (3), 347–362. https://doi.org/10.1080/13642818508240606 (In English)
- Perdew, J. P., Burke, K., Ernzerhof, M. (1996) Generalized gradient approximation made simple. Physical Review Letters, 77 (18), 3865–3868. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.77.3865 (In English)
- Perdew, J. P., Ruzsinszky, A., Csonka, G. I. et al. (2008) Restoring the density-gradient expansion for exchange in solids and surfaces. Physical Review Letters, 100 (13), article 136406. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.100.136406 (In English)
- Perdew, J. P., Zunger, A. (1981) Self-interaction correction to density-functional approximations for many-electron systems. Physical Review B, 23 (10), 5048–5079. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.23.5048 (In English).
- Pfrommer, B. G., Cote, M., Louie, S. G., Cohen, M. L. (1997) Relaxation of crystals with the quasi-Newton method. Journal of Computational Physics, 131 (1), 233–240. https://doi.org/10.1006/jcph.1996.5612 (In English)
- Press, W. H., Flannery, B. P., Teukolsky, S. A., Vetterling, W. T. (1992) Numerical recipes in C: The art of scientific computing. 2nd ed. Cambridge: Cambridge University Press, 994 p. (In English)
- Renninger, A. L., Averbach, B. L. (1973) Atomic radial distribution functions of As-Se glasses. Physical Review B, 8 (4), 1507–1514. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.8.1507 (In English)
- Salaneck, W. R., Liang, K. S., Paton, A., Lipari, N. O. (1975) Electronic structure of molecular arsenic chalcogenides. Physical Review B, 12 (2), 725–730 https://doi.org/10.1103/PhysRevB.12.725 (In English)
- Sanchez-Portal, D., Artacho, E., Soler, J. M. (1995) Projection of plane-wave calculations into atomic orbitals. Solid State Communications, 95 (10), 685–690. https://doi.org/10.1016/0038-1098%2895%2900341-X (In English)
- Sanville, E., Kenny, S. D., Smith, R., Henkelman, G. (2007) An improved grid-based algorithm for Bader charge allocation. Journal of Computational Chemistry, 28 (5), 899–908. https://doi.org/10.1002/jcc.20575 (In English)
- Schlipf, M., Gygi, F. (2015) Optimization algorithm for the generation of ONCV pseudopotentials. Computer Physics Communications, 196, 36–44. https://doi.org/10.1016/j.cpc.2015.05.011 (In English)
- Schomaker, V., Stevenson, D. P. (1941) Some revisions of the covalent radii and the additivity rule for the lengths of partially ionic single covalent bonds. Journal of American Chemical Society, 63 (1), 37–40. https://doi.org/10.1021/ja01846a007 (In English)
- Segall, M. D., Lindan, P. J. D., Probert, M. J. et al. (2002) First-principles simulation: Ideas, illustrations and the CASTEP code. Journal of Physics: Condensed Matter, 14 (11), 2717–2744. https://doi.org/10.1088/0953-8984/14/11/301 (In English)
- Segall, M. D., Pickard, C. J., Shah, R., Payne, M. C. (2010) Population analysis in plane wave electronic structure calculations. Molecular Physics: An International Journal at the Interface Between Chemistry and Physics, 89 (2), 571–577. http://dx.doi.org/10.1080/002689796173912 (In English)
- Segall, M. D., Shah, R., Pickard, C. J., Payne, M. C. (1996) Population analysis of plane-wave electronic structure calculations of bulk materials. Physical Review B, 54 (23), 16317–16320. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.54.16317 (In English)
- Shanno, D. F. (1978) Conjugate gradient methods with inexact searches. Mathematics of Operations Research, 3 (3), 244–256. https://doi.org/10.1287/moor.3.3.244 (In English)
- Shimakawa, K., Yoshida, N., Ganjoo, A. et al. (1998) A model for the photostructural changes in amorphous chalcogenides. Philosophical Magazine Letters, 77 (3), 153–158. http://dx.doi.org/10.1080/095008398178598 (In English)
- Smail, E. J., Sheldrick, G. M. (1974) Tetra-arsenic Tetraselenide. Acta Cristallographica, B29, 2014–2016. https://doi.org/10.1107/S0567740873005972 (In English)
- Tanaka, K. (2001) Chalcogenide Glasses. In: Encyclopedia of Materials: Science and Technology. 2nd ed. Oxford: Elsevier Publ., pp. 1123–1131. https://doi.org/10.1016/B0-08-043152-6/00210-2 (In English)
- Tanaka, K., Yamabe, T., Tachibana, A. et al. (1978) Electronic structures of tetrasulfur tetranitride, tetraarsenic tetrasulfide, and tetraarsenic tetraselenide, and their anionic species. Journal of Physical Chemistry, 82 (19), 2121–2126. https://doi.org/10.1021/j100508a013 (In English)
- Tang, W., Sanville, E., Henkelman, G. (2009) A grid-based Bader analysis algorithm without lattice bias. Journal of Physics: Condensed Matter, 21 (8), article 084204. http://dx.doi.org/10.1088/0953-8984/21/8/084204 (In English)
- Van Setten, M. J., Giantomassi, M., Bousquet, E. et al. (2018) The PseudoDojo: Training and grading a 85 element optimized norm-conserving pseudopotential table. Computer Physics Communications, 226, 39–54. https://doi.org/10.1016/j.cpc.2018.01.012 (In English)
- Yang, C. Y., Paesler, M. A., Sayers, D. E. (1987) Measurement of local structural configurations associated with reversible photostructural changes in arsenic trisulfide films. Physical Review B, 36 (17), 9160–9167. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.36.9160 (In English)
Выпуск
Другие статьи выпуска
This book is the result of the joint efforts of four Serbian scientists — recognized experts in theo-retical physics, meteorology, and applied and pure mathematics. During the years of research, they were deeply involved in the study of complex systems in diverse contexts. The inspiration for the book was found in the problems that the authors encountered in teaching and research.
В статье рассматривается гравитационный коллапс в метрике Вайдья, полученной с помощью гравитационного расщепления. Мы исследуем вопрос о том, влияет ли первичный волос на конечный результат гравитационного коллапса. Мы доказали, что константа связи ока- зывает влияние на формирование голой сингулярности. Мы также исследовали вопрос о силе центральной сингулярности и доказали, что она является гравитационно-сильной. Тем не менее приведенная модель не нарушает космический принцип цензуры, поскольку при формировании голой сингулярности нарушаются слабые энергетические условия.
Строгий метод токов вероятностей в рамках квантовой теории столкновений протестирован на примере моделей Талли для однократного прохождения областей неадиабатичности во время атомных столкновений. Расчеты проведены в диабатическом представлении путем численного интегрирования системы связанных уравнений для ядерных радиальных волновых функций. Результаты точных квантовых расчетов сравниваются с оценками модели Ландау-Зинера для тех же электронных структур. Показано, что метод токов вероятностей является эффективным средством исследования неупругих процессов в атомных столкновениях.
Исходя из недавнего предположения о том, что цитоплазма бактерий схожа по свойству со стеклообразующими жидкостями, нами предложено новое отношение зависимости скорости роста бактерий от температуры: k = k0exp[-Ea/kB(T-Tc)] для диапазона низких температур, где k0 - постоянная, Ea - энергия активации (eV), kB - постоянная Больцмана, T - абсолютная температура (K), а Tc - характеристическая температура (замерзания) (K), по аналогии с зависящей от температуры текучестью (обратная вязкости величина), наблюдаемой в стеклообразующих жидкостях неорганических материалов. Данное монотонное поведение бактериального роста прерывается при более высоких температурах, т. е. k резко снижается вместе с T, что может быть связано с резким ростом физиологической концентрации цитоплазмы при превышении критической температуры Tm. Наблюдение касательно температурной зависимости скорости бактериального роста аналогично наблюдению в отношении стеклообразующих жидкостей в неживых неорганических материалах.
Методом силовой микроскопии пьезоэлектрического отклика исследованы тонкие пленки цирконата-титаната свинца, отличающиеся сферолитовой радиально-лучистой микро-стуктурой, состав которых соответствует области морфотропной фазовой границы. Выявлены особенности вертикального и латерального пьезооткликов, а также потенциала поверхности (Кельвин-мода). Проводится сравнение свойств пьезоэлектрического отклика тонких пленок с особенностями радиально-лучистой микроструктуры и механических напряжений, образующихся в пленках в результате кристаллизации фазы перовскита из аморфной фазы.ф
Изучены процессы диэлектрической релаксации растворов додецилсульфата натрия (ДСН) в диапазоне концентраций в бинарном водно-этанольном растворителе при различных концентрациях спирта. Показано, что этанол в концентрациях ниже 40% не препятствует мицеллообразованию ДСН, а при более высоком содержании этанола мицеллы ПАВ не образуются. Тем не менее данные ЯМР показывают наличие в растворах с высокой концентрацией спирта малых ассоциатов, скорее всего димеров ДСН, свойства и подвижность которых зависят от состава водно-этанольной среды. Обсуждены трансформации структуры и размеров комплексов при изменении содержания этанола в растворе.
Издательство
- Издательство
- РГПУ им. А. И. Герцена
- Регион
- Россия, Санкт-Петербург
- Почтовый адрес
- 191186, Санкт-Петербург, набережная реки Мойки 48
- Юр. адрес
- 191186, Санкт-Петербург, набережная реки Мойки 48
- ФИО
- Тарасов Сергей Валентинович (ректор)
- E-mail адрес
- mail@herzen.spb.ru
- Контактный телефон
- +7 (812) 3124477