结构属性ZnxCd1-xTe (x = 0.25、0.50和0.75)三元纳米棒:分子动力学模拟

文摘

ZnxCd1-xTe三元纳米棒的结构属性(x = 0.25、0.50和0.75)通过执行经典分子动力学模拟研究了在不同的温度。一个原子论的多体的势能函数被用来代表了颗粒间的相互作用。已经发现的结构属性ZnxCd1-xTe三元纳米化学计量和温度的依赖。

关键字

ZnCdTe纳米棒;原子论的潜能;分子动力学。

介绍

ZnCdTe,三元族化合物化合物半导体,用于各种技术近年来得到关注由于其适当的属性。的晶体具有优良的光电性能和高的原子序数是有前途的半导体材料用于空间天文学、环境监测、国土安全和医疗成像应用高分辨率x射线和γ-ray探测器在室温下(1,2,3,4]。此外,ZnxCd1-xTe合金晶体广泛吸引了在半导体材料电阻率较高,呈现低噪声水平由于其应用在光电设备(5,6)和太阳能电池(7]。CZT纳米线传感器研究了检测低能量γ-ray检测(8]。锌_xCd_{1 - x}T_e合金纳米晶体具有不同成分在水溶液中合成了巯基乙酸(TGA)作为稳定剂(9]。

一维纳米结构,如纳米线、纳米棒和纳米带,收到了极大的关注,但在过去的几年中,尤其是ZnxCd1-xTe和ZnTe CdTe strusctures。最近,CZT获得的光学特性的纳米棒在光致发光(PL)光谱研究了不同回流时间(10]。CdxZn1-xTe纳米线已经通过控制增长的温度和使用vapor-liquid-solid (VLS)方法(11]。VLS方法和模板合成技术已报告的准备ZnTe纳米线(12,13,14]。ZnTe纳米线的电学性质同时测量温度范围15 - 100°C (15]。此外,各种液相和template-assisted合成技术已报告CdTe纳米线的制备(16,17,18]。目前,它已被观察到,ZnCdTe水晶将未来技术将允许开发下一代的x射线检查和成像系统所需的应用,如非破坏性检验和测试的制成品,以及x射线食品检验和x射线荧光。因此,重要的是要理解材料的结构性质在不同的温度。

分子动力学(MD)模拟是一种强大的方法用于研究在宏观层面上基于属性信息在微观层面。计算机模拟提供了一个路线调查材料行为在极端温度下难以实现的实验。在这项研究中,我们调查了理论上ZnxCd混合_{1 - x}T_e纳米棒代表固体的解决方案(ZnTe)_x(集团)_{1 - x}化合物三成分x = 0.25, 0.50和0.75使用古典moleculardynamics模拟在不同的温度下的原子论的多体的势能函数(pef)。这些化合物形成一系列完整的固体的解决方案与立方闪锌矿结构直接能隙。锌_xCd_{1 - x}Te纳米棒是由一些锌原子的替换与Cd ZnTe晶格原子。锌和Cd浓度资料确定这些混合晶体的均匀性。目前的研究将有助于了解材料结构对其性能的影响,为实验和理论研究提供相关信息。

计算的方法

在分子动力学(MD)计算,多体的脉动电场,它是一个线性组合的双体和三体相互作用,一直被视为执行总能量计算。你的双体交互_ij被Lennard-Jones函数(19),而三体相互作用(W_ijk)所描述的Axilrod-Teller triple-dipole函数(20.]。的显式形式的总作用势能系统被认为是由

(1)

你在哪里₂和你₃总两个和三体相互作用势能,分别

类似PEF使用一组不同的参数被用来研究锌的结构特性和能量,Cd,和ZnCd集群(21,22,23)和模拟大部分,表面和集群性能的硅,砷化镓,AlGaAs SiGaAs, AuGaAs、碳化硅、SiO [24,25,26,27,28,29日],AlTiNi系统的集群性能[30.,31日的结构属性,silicene nanoribbons (SiNRs) [32)以及硅纳米结构的属性(33]。

可能在目前的研究中使用的参数所示表1。目前的参数化PEF裁判中详细给出。21为锌、Cd、ZnCd。此外,在目前的研究中我们已经确定势参数对Te, ZnTe和CdTe系统调查锌的结构特性和能量_xCd_{1 - x}Te纳米棒。因此,本研究的目的是探讨锌的结构特性和能量_xCd_{1 - x}Te的纳米棒(x = 0.25、0.50和0.75)在不同的温度。模拟进行了使用Nordsieck-Gear算法(37,38和预估方法39]。最初开始在1 k的模拟。模拟细胞的大小对应于一个1×1×1单位8个原子组成的细胞。ZnxCd1-xTe三元纳米棒具有立方结构(见5.708的晶格常数图1)。粒子速度根据Maxwell-Bolztmann生成速度分布。为了解决运动方程,Nordsieck-Gear算法时间步长为1.0 fs。截止半径7.0被用于最大的互动范围。一个周期性边界条件施加沿杆轴(在我们的例子中z轴)。温度范围是:1 1500 K和K锌_0.25Cd_0.75锌的Te、1 K和1800 K_0.50Cd_0.50Te, 1 K和2100 K锌_0.75Cd_0.25Te。系统大力放松,直到他们达到平衡。根据组成和温度弛豫时间的范围变化如下:最初,锌_0.25Cd_0.75Te、锌_0.50Cd_0.50Te和锌_0.75Cd_0.25Te纳米产物是在45000年,30000年和40000年时间步长分别为1 k。在那之后,锌的步骤_0.25Cd_0.75Te、锌_0.50Cd_0.50Te和锌_0.75Cd_0.25Te是通过时间平均300.000,160.000和250.000分别在300 k和2100 k。最初的细胞大小(x, y, z)的三个ZnCdTe奈米棒模型认为在目前的研究中10.6,10.6和33.5分别。截面和侧面视图的初始结构的三个ZnCdTe奈米棒模型所示图2。

结果和讨论

在本节中,上述的计算方法已应用于计算锌的结构特性_xCd_{1 - x}Te三元合金纳米锌浓度对x = 0.25、0.50和0.75。集团和ZnTe立方硫化锌,或闪锌矿结构(40]。的锌_xCd_{1 - x}Te三元合金获得通过ZnTe水晶与Cd原子代替x锌原子的一小部分。

图3显示,横截面视图与相应的锌的总能量交互_0.25Cd_0.75Te奈米棒在不同的温度下。我们可以看到图2锌的结构_0.25Cd_0.75Te奈米棒的变化取决于温度。当温度达到900 K时,系统的能量开始上升,达到300 K后,锌原子开始分离的作文直到1500 K,然后完全消失。剩下的数量的原子在不同温度下的三个ZnCdTe奈米棒模型中给出了表2。图4显示锌原子的数量变化与温度ZnCdTe奈米棒模型。

随着温度的增加,一个均匀分布Zn0.25Cd0.75Te奈米棒变得更随机分布。横截面以及顶部的纳米棒模拟显示在视图图3。见数据从管状结构的奈米棒结构发生由于增加温度。

图5显示,横截面视图与相应的锌的总能量交互_0.50Cd_0.50Te奈米棒在不同的温度下。可以看到从图锌的结构_0.50Cd_0.50Te奈米棒显示温度增加和stochiometry的依赖。当温度达到900 K时,系统的能量开始上升。锌原子完全蒸发的温度1800 K和CdTe原子仍然和显示一个统一的结构。温度达到300 K后,奈米棒开始形成管状结构,清楚地看到的横截面侧视图。此外,锌原子表现出倾向于独立于奈米棒随温度增加像其他成分(锌_0.25Cd_0.75Te)。然而,Zn0.25Cd0.75Te Zn0.50Cd0.50Te纳米比彼此有不同的结构特点。

一边和横截面视图与相应的锌的总能量交互_0.75Cd_0.25在不同的温度显示在Te奈米棒图6x = 0.75。锌原子在这个模型显著减少从72个原子到0原子温度增加时从1到2100 K。温度达到1800 K后,只有Cd和Te原子留在奈米棒。与其他化合物,一个三维的锌_0.75Cd_0.25Te奈米棒变成了二维结构在1200 K和1800 K之间。图6清楚地显示了双方和横截面视图。有趣的是,在达到1800 K 2 d结构变化成为某种胶囊像3 d结构与一个原子链。

结论

经典分子动力学模拟使用一个原子的多体的势能函数(PEF)锌_xCd_{1 - x}Te (x = 0.25、0.50和0.75)纳米棒已经执行。计算清楚表明,锌_xCd_{1 - x}Te纳米棒模拟在不同的温度和化学计量学有不同的结构属性。温度达到300 k后,锌_0.25Cd_0.75Te和锌_0.50Cd_0.50Te纳米棒改变从奈米棒管状结构由于温度升高。另一方面,Zn0.75Cd0.25Te奈米棒变化成为2 d (nanoribbon像结构)在1200 K,它改变再次成为3 d(胶囊等结构)和1 d(原子链)结构在2100 K。在所有三个奈米棒结构,锌原子开始独立于系统在达到300 K。后锌蒸发系统的总能量表现出增加的趋势的图3、5和6。我们希望本研究的结果将提供有用的信息理解锌的结构性质_xCd_{1 - x}Te (x = 0.25、0.50和0.75)纳米棒在不同温度下的实验和理论工作。

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