О ширине запрещенной зоны в мезопористых полупроводниках
А.В. Шишулин, А.В. Шишулина
ФГБОУ ВО «Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева»
DOI: 10.26456/pcascnn/2025.17.317
Оригинальная статья
Аннотация: В настоящей работе рассмотрена зависимость ширины запрещенной зоны мезопористого полупроводника от геометрических характеристик (объема и формы) распределенных в материале пор. Полученные оценки свидетельствуют о том, что хорошо известный для наноразмерных частиц эффект, связанный с существенной зависимостью ширины запрещенной зоны от размера и формы частицы, может также реализовываться в мезопористых (с характерным размером пор от 5 до 50 нм) материалах, при этом сами рассматриваемые мезопористые объекты могут иметь макроскопические размеры. На примере чистого мезопористого CdSe показано, что уменьшение объема пор и «усложнение» их формы приводят к заметному увеличению ширины запрещенной зоны. Результаты получены в рамках когезионной модели, для наночастиц CdSe верифицированной экспериментально. Геометрические особенности пор задавались в рамках фрактально-геометрического подхода величинами их эффективного диаметра и фрактальной размерности.
Ключевые слова: полупроводники, ширина запрещенной зоны, мезопористые материалы, фрактальная размерность, когезия
- Шишулин Александр Владимирович – к.х.н., доцент, ФГБОУ ВО «Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева»
- Шишулина Анна Владимировна – к.х.н., доцент, ФГБОУ ВО «Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева»
Ссылка для цитирования:
Шишулин, А.В. О ширине запрещенной зоны в мезопористых полупроводниках / А.В. Шишулин, А.В. Шишулина // Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. - 2025. - Вып. 17. - С. 317-327. DOI: 10.26456/pcascnn/2025.17.317. ⎘
Полный текст: загрузить PDF файл
Библиографический список:
1. Lu, K. Nanoparticulate materials: synthesis, characterization, and processing / K. Lu. – Hoboken: Wiley, 2012. – 464 p.
2. New frontiers in nanoparticles and nanocomposite materials / ed. by A. Öchsner, A. Shokuhfar. – Berlin Heidelberg: Springer-Verlag, 2013. – 371 p. DOI: 10.1007/978-3-642-14697-8.
3. Сдобняков, Н.Ю. Моделирование структурных превращений в однокомпонентных и многокомпонентных металлических наносистемах / Н.Ю. Сдобняков. – Тверь: Тверской государственный университет, 2025. – 408 с. DOI: 10.26456/sny.2025.408.
4. Essajai, R. Shape-dependent structural and magnetic properties of Fe nanoparticles studied through simulation methods / R. Essajai, Y. Benhouria, A. Rachadi et al. // RSC Advances. – 2019. – V. 9. – I. 38. – P. 22057-22063. DOI: 10.1039/C9RA03047F.
5. Guisbiers, G. αshape, birth of one universal parameter? / G. Guisbiers // Key Engineering Materials. – 2010. – V. 444. – P. 69-80. DOI: 10.4028/www.scientific.net/KEM.444.69.
6. Shishulin, A.V. Several notes on the lattice thermal conductivity of fractal-shaped nanoparticles // A.V. Shishulin, A.A. Potapov, A.V. Shishulina // Eurasian Physical Technical Journal. – 2022. – V. 19. – I. 3(41). – P. 10-17. DOI: 10.31489/2022No3/10-17.
7. Guisbiers, G. Size-dependent material properties towards a universal equation / G. Guisbiers // Nanoscale Research Letters. – 2010. – V. 5. – I. 7. – Art. № 1132. – 5 p. DOI: 10.1007/s11671-010-9614-1.
8. Богданов, С.С. Закономерности структурообразования в бинарных наночастицах ГЦК-металлов при термическом воздействии: атомистическое моделирование / С.С. Богданов, Н.Ю. Сдобняков. – Тверь: Тверской государственный университет, 2023. – 144 с. DOI: 10.26456/bs.2023.144.
9. Сдобняков, Н.Ю. Комплексный подход к моделированию плавления и кристаллизации в пятикомпонентных металлических наночастицах: молекулярная динамика и метод Монте-Карло / Н.Ю. Сдобняков, А.Ю. Колосов, Д.Н. Соколов и др. // Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур, наноматериалов. – 2023. – Вып. 15. – С. 589-601. DOI: 10.26456/pcascnn/2023.15.589.
10. Шишулин, А.В. Некоторые особенности высокотемпературных фазовых равновесий в наночастицах системы Six-Ge1-x / А.В. Шишулин, А.В. Шишулина // Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур, наноматериалов. – 2019. – Вып. 11. – С. 268-276. DOI: 10.26456/pcascnn/2019.11.268.
11. Шишулин, А.В. Равновесный фазовый состав и взаимная растворимость компонентов в наночастицах фрактальной формы тяжелого псевдосплава W-Cr / А.В. Шишулин, А.В. Шишулина // Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур, наноматериалов. – 2019. – Вып. 11. – С. 380-388. DOI: 10.26456/pcascnn/2019.11.380.
12. Шишулин, А.В. Влияние исходного состава на фазовые равновесия при твердофазном расслаивании в наночастицах бинарных сплавов (на примере системы W-Cr) / А.В. Шишулин, А.В. Шишулина // Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур, наноматериалов. – 2023. – Вып. 15. – С. 299-307. DOI: 10.26456/pcascnn/2023.15.299.
13. Шишулин, А.В. Особенности фазовых равновесий «жидкость – твердое тело» в наночастицах системы Six – Ge1-x при различном взаимном расположении фаз / А.В. Шишулин, А.В. Шишулина, А.В. Купцов // Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур, наноматериалов. – 2024. – Вып. 16. – С. 437-447. DOI: 10.26456/pcascnn/2024.16.437.
14. Shishulin, A.V. Thermal stability and phase composition of stratifying polymer solutions in small-volume droplets / A.V. Shishulin, V.B. Fedoseev // Journal of Engineering Physics and Thermophysics. – 2020. – V. 93. – I. 4. – P. 802-809. DOI: 10.1007/s10891-020-02182-9.
15. Shishulin, A.V. One more parameter determining the stratification of solutions in small-volume droplets / A.V. Shishulin, A.V. Shishulina // Journal of Engineering Physics and Thermophysics. – 2022. – V. 95. – I. 6. – P. 1374-1382. DOI: 10.1007/s10891-022-02606-8.
16. Shishulin, A.V. On the transition between ferromagnetic and paramagnetic states in mesoporous materials with fractal morphology // A.V. Shishulin, A.A. Potapov, A.V. Shishulina // Eurasian Physical Technical Journal. – 2021. – V. 18. – I. 2(36). – P. 6-11. DOI: 10.31489/2021NO2/6-11.
17. Шишулин, А.В. К вопросу об упругих характеристиках мезопористых материалов / А.В. Шишулин, А.В. Шишулина // Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур, наноматериалов. – 2023. – Вып. 15. – С. 308-316. . DOI: 10.26456/pcascnn/2023.15.308.
18. Шишулин, А.В. К вопросу о плавлении мезопористых материалов / А.В. Шишулин, А.В. Шишулина, А.В. Купцов // Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур, наноматериалов. – 2024. – Вып. 16. – С. 427-436. . DOI: 10.26456/pcascnn/2024.16.427.
19. Goyal, M. Size and shape dependence of optical properties of nanostructures / M. Goyal, M. Singh // Applied Physics A. – 2020. – V. 126. – I. 3. –Art. № 176. – 8 p. DOI: 10.1007/s00339-020-3327-9.
20. Singh, M. Size and shape effects on the bandgap of semiconductor compound nanomaterials / M. Singh, M. Goyal, K. Devlal // Journal of Taibah University for Science. – 2018. – V. 12. – I. 4. – P. 470-475. DOI: 10.1080/16583655.2018.1473946.
21. Gorer, S. Quantum size effects in the study of chemical solution deposition mechanisms of semiconductor films / S. Gorer, G. Hodes // Journal of Physical Chemistry. – 1994. – V. 98. – I. 20. – P. 5338-5346. DOI: 10.1021/j100071a026.
22. Vossmeyer, T. CdSe nanoclusters: synthesis, characterization, size-dependent oscillator strength, temperature shift of the excitonic transition energy, and reversible absorbance shift / T. Vossmeyer, L. Katsikas, M. Giersig et al. // Journal of Physical Chemistry. – 1994. – V. 98. – I. 31. – P. 7665-7673. DOI: 10.1021/j100082a044.
23. Guisbiers, G. Theoretical investigation of size and shape effects on the melting temperature and energy bandgap of TiO2 nanostructures / G. Guisbiers, O. van Overschelde, M. Wautelet // Applied Physics Letters. – 2008. – V. 92. –I. 10. – Art. № 103121. – 3 p. DOI: 10.1063/1.2897297.
24. Guisbiers, G. Size, shape, composition and segregation tuning of InGaAs thermo-optical properties / G. Guisbiers, G. Abudukelimu, M. Wautelet, L. Buchaillot // Journal of Physical Chemistry C. – 2008. – V. 112. – I. 46. – P. 17889-17892. DOI: 10.1021/jp805760h.
25. Guisbiers, G. Phase diagrams and optical properties of phosphide, arsenide, and antimonide binary and ternary III-V nanoalloys / G. Guisbiers, M. Wautelet, L. Buchaillot // Physical Review B. – 2009. – V. 79. – I. 15. – P. 155426-1-155426-8. DOI: 10.1103/PhysRevB.79.155426.
26. Aqra, F. Surface free energy of alkali and transition metal nanoparticles / F. Aqra, A. Ayyad // Applied Surface Science. – 2014. – V. 324. – P. 308-313. DOI: 10.1016/j.apsusc.2014.07.004.
27. Анофриев, В.А. К проблеме автоматизации процесса определения фрактальной размерности / В.А. Анофриев, А.В. Низенко, Д.В. Иванов, А.С. Антонов, Н.Ю. Сдобняков // Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур, наноматериалов. – 2022. – Вып. 14. – С. 264-276. DOI: 10.26456/pcascnn/2022.14.264.
28. Shishulin, A.V. Fractal nanoparticles of phase-separating solid solutions: nanoscale effects on phase equilibria, thermal conductivity, thermoelectric performance / A.V. Shishulin, A.A. Potapov, A.V. Shishulina // Springer Proceedings in Complexity; ed. by C.H. Skiadas, Y. Dimotikalis. – Cham: Springer, 2022. – P. 421-432. DOI: 10.1007/978-3-030-96964-6_30.
29. Гаев, Д.С. Кинетика образования трещин в пористом кремнии / Д.С. Гаев, С.Ш. Рехвиашвили // Физика и техника полупроводников. – 2012. – Т. 46. – Вып.2. – C. 145-149.
30. Błaszczyński, T. Synthesis of silica aerogel by supercritical drying method / T. Błaszczyński, A. Ślosarczyk, M. Morawski // Procedia Engineering. – 2013. – V. 57. – P. 200-206. DOI: 10.1016/j.proeng.2013.04.028.
31. Chae, H.K. A route to high surface area, porosity and inclusion of large molecules in crystals / H.K. Chae, D.Y. Siberio-Pérez, J. Kim et al. // Nature. – 2004. – V. 427. – P. 523-527. DOI: 10.1038/nature02311.
32. Chuvil’deev, V.N. Spark plasma sintering for high-speed diffusion bonding of the ultrafine-grained near-α Ti-5Al-2V alloy with high strength and corrosion resistance for nuclear engineering / V.N. Chuvil’deev, A.V. Nokhrin, V.I. Kopylov et al. // Journal of Materials Science. – 2019. – V. 54. – I. 24. – P. 14926-14949. DOI: 10.1007/s10853-019-03926-6.
33. Леньшина, Н.А. Фотовосстановление о-бензохинонового фрагмента в моно- и полихинонметакрилате и на поверхности полимерной матрицы / Н.А. Леньшина, М.В. Арсеньев, М.П. Шурыгина, С.А. Чесноков, Г.А. Абакумов // Химия высоких энергий. – 2017. – Т. 51. – Вып. 3. – С. 224-229. DOI: 10.7868/S0023119317030093.
34. Федосеева, Е.Н. Взаимодействие хитозана и бензойной кислоты в растворах и пленках / Е.Н. Федосеева, В.Б. Федосеев // Высокомолекулярные соединения. Серия А. – 2011. – Т. 53. – Вып. 11. – С. 1900-1907.
35. Li, J. An improved box-counting method for image fractal dimension estimation / J. Li, Q. Du, C. Sun // Pattern Recognition. – 2009. – V. 42. – I. 11. – P. 4260-4269. DOI: 10.1016/j.patcog.2009.03.001.