כימיה קוונטית עבור תכונות אופטיות של ננומטרי

כימיה קוונטית עבור תכונות אופטיות של ננומטרי

האינטראקציה בין אור לחומר ב- nanoscale פותחת מימד של שליטה לא זמין בחומרים גדולים.כאשר ממדים פיזיים של חומר מתכווץ למשטר nanometer, תכונות אלקטרוניות אופטיות שלה להיות רגיש מאוד לגודל המדויק, צורה וכימיה פני השטח.פיזיקה קלאסית לא מצליחה לתאר תופעות אלה, מה שהופך את ההמרה הקוונטית כלי חיוני עבור הבנה והנדסה התגובות האופטיות של ננו-חומרים.

מימון של הקונדום

העיקרון הבסיסי ביותר השולט בתכונות אופטיות של ננו-חומרים הוא אפקט המגבלות הקוונטיות.במוליכים למחצה גדולה, אלקטרונים כובשים להקות אנרגיה מתמשכים מופרדות על ידי פער של להקה. כאשר הגודל הפיזי של גביש הופך קטן יותר מאשר רדיוס Bohr exciton (המרחק הטבעי בין אלקטרונים נרגש לבין החור שהוא משאיר מאחור), רמות האנרגיה הופכות לדיסקרטיות ויעילות.

הכחשת מדינות וממדליות

צפיפותן של מדינות (DOS) מתארת את מספר המדינות האלקטרוניות הזמינות ברמת אנרגיה נתונה.כפי שממדליות יורדת מ 3D (bulk) ל-0D (quantum dots), ה-DOS משתנה מתפקוד חלק מרובע לסדרת פסגות חדות, אטומיות דמויות אטומיות. חישובים קוונטיים, במיוחד תורת תפקוד תפקודית (DFT), לפתור במפורש את מצבי הדיסקרטיים האלה, המאפשרים להגדרה אחת של אטומית, כגון אטומית של אטומית, כגון אטומית, כגון אטומית של אטומית, שינויים אטומיים.

אנרגיה ואנרגיות בינאריות

כאשר ננו-חומר סופג פוטון, הוא יוצר אקסצ'יטון: זוג חד-חור אלקטרוני קוטולומיאלי (Coulombly חוצות אלקטרו-hole) – הכוח של מחייב זה מוגדר על ידי האנרגיה המחייבת של Exciton.בסיליקון רב, האנרגיה המחייבת של אלקטרו-סגולה מחייבת רק - 15 meVspec, אשר בקלות נכשלת בטמפרטורת החדר.

ערכת כלים עבור תכונות אופטיות

כימיה קוונטית מודרנית מציעה היררכיה של שיטות חישוביות, כל דיוק איזון נגד עלות חישובית.בחירת השיטה הנכונה היא החלטה אסטרטגית המבוססת על גודל המערכת ועל הנכס האופטי הספציפי של העניין.

תורת תפקוד הכחשה (DFT)

DFT הוא עבודת חישובים של מבנה אלקטרוני.זה ממפה את הבעיה המורכבת של רבים אלקטרוניים על מערכת של חלקיקים שאינם מתערבים הנעים פוטנציאל יעיל.דיוק של DFT תלוי לחלוטין בבחירת פונקציונליות של החלפת חליפין.

• (FLT:0) הכחשה מקומית (LDA) ו- Generalized Gradient Approximation (GGA): ibFLT:1 פונקציונליות אלה (למשל, PBE) הם זולים חישוביים ומספקים גיאומטריות סבירות ומגמות.עם זאת, הם באופן שיטתי מזלזלים פער הלהקה של מוליכים למחצה, לעתים קרובות על ידי 50% או יותר.
• (FLT:0) פונקציות ההיברידיות (למשל, B3LYP, HSE06:FLT:1 פונקציונליות אלה משלבות חלק מחילופי Hartree-Fock מדויקים. הם מניבים פערים משופרים באופן דרמטי של הלהקה ומבנים אלקטרוניים, לעתים קרובות להתאים ערכים ניסיוניים בתוך 0-0.2 e HSE06 הוא פופולרי במיוחד עבור מערכות מוצקות של מדינה ומבנה בשל טווח שלה, אשר חילופי מסך מדויק.

Time-Dependent DFT (TD-DFT)

בעוד DFT מחשב תכונות קרקעיות, TD-DFT מרחיב את הפורמליזם למדינות נרגשות ותהליכים דינמיים.זוהי השיטה הסטנדרטית לחישוב ספקטרום הקליטה אופטי של nanostructures בינוני (hundreds לאלפים נמוכים של אטומים). TD-FT מפיץ את האלקטרוני באמצעות ספקטרום תלוי בזמן ומשלב את התגובה הפולינית, אשר חוצה את הספיגה הוא נגזרת.

TD-DFT יכול לחזות במדויק את עמדות השיא ואת העוצמות היחסיות של ציטוטים אנרגיה נמוכה. עם זאת, יש לו מגבלות ידועות.זה מאבקים עם צאת העברה מטען (מולקולה עושה אלקטרון אל פני השטח) כאשר משתמשים בסטנדרטים ויכולים להמעיט באנרגיה מחייבת של המצאות במערכות מורחבות.

הרבה מאוד מתורת טורף (GW ו- BSE)

עבור הדיוק הגבוה ביותר, במיוחד עבור לחזות אפקטים גרפיים פערים של מוצקים ומקבץ גדול, התוספת GW ו- Bethe-Salpeter Equation (BSE) עומדים כסטנדרט הזהב.

• (FLT:0) ה-GW Approximation:03: ⁇ 1) שיטה זו מחשבת את האנרגיה העצמי של האלקטרונים, החשבונאות עבור ההקרנה של אינטראקציה הקולומב.הוא מספק אנרגיות מדויקות של חלקיקים, ביעילות תיקון פער הלהקה הבסיסית שחזה DFT.The Name "GW" מגיע משני המרכיבים של אינטראקציה עצמית: אנרגיה ירוקה הפונקציה (Guled Cov) ו-Couled (Guled Couled).
• (FLT:0) The Bethe-Salpeter Equation (BSE): החל מאנרגיות של חלקיקים GW, BSE פותר את התנועה הממוזגת של האלקטרונים והבור. זה ישירות מניב את הספקטרום האופטי, כולל אנרגיות מחייבות ותפקודי הגל של חומרי גלם בודדים.

תוכנה ומימוש

מגוון רחב של חבילות תוכנה ליישם שיטות אלה. Gaussian היא חבילה פופולרית עבור חישובים מולקולריים וקטנים TD-DFT. VASP ו-Vumum ESPRESSO הם קודים מובילים של מטוסים עבור חישובים של המדינה הזמנית. NWChem מאפשר חישובים מדרגים על מערכות גדולות באמצעות מחשוב ביצועים גבוהים.בחירה של תוכנה תלויה לעתים קרובות בגישה למשאבים חישוביים ותכונות ספציפיות הנדרשות, כגון תנאי גבול תקופתיים או מודלים.

אסטרטגיות ל- Tuning Optical Properties

חמוש בכימיה קוונטית חיזוי, החוקרים יכולים לעצב באופן שיטתי ננו-חומרים עם מאפיינים אופטיים מטרה.קיימות אסטרטגיות עיקריות רבות לקליטת ספיגה ופליטה.

גודל וצורה

גודל הוא השיטה האינטואיטיבית ביותר.עבור דוטים קוונטיים, היחס בין רדיוס לבין פער הלהקה הוא קרוב מאוד על ידי מודל המסה האפקטיבי, אבל כימיה קוונטית מספקת ראייה מדויקת יותר, אטום.צורה גם ממלא תפקיד משמעותי. A nanorod יש שני צירים נפרדים, המוביל להפריד להקות עבור מקוטב לאורך אורך שלה לעומת רוחב שלה.

לעשות ו-Alloying

היכרות עם אטומים זרים לתוך מוליכים למחצה ננו-חומריים משנה את המבנה האלקטרוני שלה בדרכים צפויות. Doping a רחב-band-gap כמו ZnO עם אלומיניום מייצרת ספקים חופשיים אשר משנים את ההרסה plasmonic שלה מן IR לתוך ה-IR הקרוב, כמו סגסוגת שני יצירות, כגון יצירת CdxnxnxnxnxnxnxnxnxnxnxnxSeum dot הקוונטי, מאפשר עבור סטיות קבוע, עבור , עבור סטיות, עבור רצף קבוע של חלקיק מתמשך של , כמו סגסוגת ללא חלקיקים, כמו , 000 סגסוגת ללא סגסוגת של סגסוגת ללא רצף של רצף של cnSout tSTSing, 000 , 000 , 000 , 000 סגסוגת ללא , 000 ⁇ ⁇ , 000 , 000 , 000 , 000 , כמו , 000 ⁇ ⁇ , 000 ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇

הנדסה ועברה

ב nanoscale, חלק משמעותי של אטומים שוכן על פני השטח.אטומים אלה לעתים קרובות יש אג"ח דנגלינג, אשר פועל כמרכזי ריבור לא-ראדיטיביים כי quench luminescence. סימולציות כימיה קוונטיות יכול למסך מולקולות ligand שונות כדי למצוא את אלה ביעילות להעביר את מצבי המלכודת האידיאליים האלה. ligands לא רק לייצב את הננוקריסטל אלא גם את ההשפעה על פני השטח, לפעמים, לתרום את פני השטח באופן מוחלט, לפעמים.

אדריכלות: Shell Architectures

הצמיחה של מעטפת מעבר של חומר להקה רחב יותר סביב ליבת אלומיניום היא אסטרטגיה מוצלחת מאוד לשיפור התשואות הקוונטיות ופוטנטיות. היערכות סוג-I (למשל, CdSe / ZnS) מגבילה הן את אלקטרון ובור לליבת, מגן עליהם מן הסביבה.

מחקרים בנושא עיצוב חיזוי

היישום של כימיה קוונטית לחומרים בעולם האמיתי הביא תובנות עמוקות ומכשירים מעשיים.

קולואידאל קוונטי דוטס (QDs)

קדימיום סלנלד (CdSe) QDs הם מערכת קנטוןיתונים. חישובים ברמה גבוהה (GW/BSE) הסבירו באופן כמותי את התלות של מדינות "הזכות" ו"dark" exciton.The Dark Exciton, תצוגות של ספין-על-על-טבעיות מעט נמוך יותר באנרגיה מאשר המדינה הבהירה, שולטות את חיי הפוטומיה הסיינטטיים, גם כן, יש תפקיד קוונטי של סטיום-קרקעי-קרקעי-קרקעי-קרקעי-קרקעי-קרקעי-קרקעי-קרקעי-קרקע-מהפכה-קרקעית-קרקעית-קרקעית-קרקעית-קרקעית-קרקעית-ארצית-קרקעית-קרקעית-קרקעית-קרקעית-קרקעית-קרקעית-קרקעית-מהפכה-קרקע-קרקע-מהפכה-מהפכה-מהפכה-קרקעית:

Metal Nanoparticles

(ב) זהב וננו-חלקיקי כסף, התגובה האופטית נשלטת על ידי פסיקת פני השטח המקומי (LSPR) בעוד אלקטרודינמיקה קלאסית (Mie Theory) מודלים LSPR עבור חלקיקים גדולים, כימיה קוונטית הופכת הכרחית עבור אשכולות קטנים יותר מאשר -3 nm. in this Regime, the מוליכים מתמשכת פורץ לתוך רמות דיסקרטיות, ותגובה plasmonic הופכת לחבית מאוד עבור חלקיקים:2DF3 או D3D כמו מעבר אופטי:

2 - דיפרוגנס - Metal Dichalcogenides

Monolayer MoSveFLT:0.1 ו-WirSFLT:2033FLT 3 מבטיחים לחידוש הבא של Optoelectronics.DFT זיהה נכון כי חומרים אלה עוברים מ פער להקה עקיף בכבד עד פער ישיר של הלהקה על גבי מונוטרת הנדסה.

מוביל הליד Perovskite ננוקריסטל

halide perovskites כמו CsPbBrbrphalLT:0 ;0 ;3Felo 1 הופיעו כפלטים אור יוצא דופן באופן מפתיע, חומרים אלה יעילים מאוד גם כאשר מסונתז עם משטחים "מכוממים" כימיה קוונטית גילה כי סובלנות פגם שלהם עולה ממבנה אלקטרוני ייחודי: המיקום האנרגטי של הלהקה המקסימלית הוא בלתי נסבל עבור היווצרות מלכודות עמוקות.

אתגרים והגבלות נוכחיות

למרות כוחו, כימיה קוונטית מתמודדת עם כמה מכשולים במודל אופטיקה ננו-חומרית.האתגר העיקרי הוא העלות החישובית של שיטות בעלות גבוהה של דיוק גבוה. GW / BSE חישובים על מינון קוונטי המכיל כמה אלפי אטומים נמצאים במגבלת מחשבי העל הנוכחיים, מה שהופך את השימוש שלהם שגרתי בהקרנה מהירה.

אתגר נוסף הוא הטיפול המדויק של הסביבה.ננומטריס מסונתז ופועלים בפתירים, מוטבע בפולימרים, או אינטראקציה עם תת-סטריטים.המסת ההשפעות הסביבתיות הללו דורשות הטמעת תוכניות (כמו PCM או QM/MM) אשר מוסיפים מורכבות ושיקול דעת יתר על פני השטח באופן דומה, ומדגימים את הדינמיקה של קירור קר ושיקום מחדש, אשר מתרחשת על פני השטח פחות מאי פעם לא-שנית, הדורשת, כלומר, מאשר שיטות חישוביות פחות אינטנסיביות, אשר דורשות, פחות מאי-צדדיות, מאשר שיטות חישוביות, אשר דורשות, פחות מאי-צדדיות, אשר דורשות, כלומר, כלומר, פחות מאי-משקלמטיות, פחות מאופקות, מאשר שיטות חישוביות פחות מאי-אוויריות, מאשר שיטות חישוביות, פחות מאי-צדדיות, מאשר שיטות חישוביות, כלומר, פחות.

גבולות וכיוונים עתידיים

התחום מתפתח במהירות, מונע על ידי התקדמות באלגוריתמים, בחומרת מחשוב ומדעי נתונים.

High- Throughput Screening and Databases

מסדי נתונים חישוביים בקנה מידה גדול, כגון פרויקט החומרים ואת ה- NOMAD Repository, לחדד את המאפיינים של אלפי חומרים ידועים ו hypothetical. על ידי הפעלת חישובים סטנדרטיים DFT, מסדי נתונים אלה מאפשרים לחוקרים לזהות במהירות את החומרים של המועמד עם פערי הלהקה היעד, ההמונים יעילים, או פרופילי ספיגה אופטיים לפני שנכנס לתוך המעבדה.

אינטגרציה למידת מכונות

למידת מכונה (ML) הופכת את הפוטנציאלים הכימיים הקוונטיים של הרשת נילי יכולים כעת לשחזר את הדיוק של DFT בשבריר של העלות החישובית, המאפשרת סימולציות מולקולריות על חלקיקים של זמן ננו השני עבור מערכות של אלפי אטומים. מסגרות עיצוב הפוכה להשתמש במודלים ניו יורקיים להציע מבנים חדשים nanoparticle או ligands כי יפיקו ספיגה או פליטה, על ידי לעקוף את התהליך המסורתי של הניסוי.

דינמיקה לא-דיפלומטית

חיתוך זרימת האנרגיה בזמן אמת לאחר צילום הוא אתגר גבולות. מעורב קוונטי-קלאסי (Ehrenfest) ומעט ביותר מתפתל שיטות משולבות עם TD-DFT למודל phonon-mediaed הרפיה והפרדה אחראית בממשקים. סימולציות אלה מספקות תובנה חסרת תקדים בעיצוב של photocatasts יעיל תאים סולאריים חמים.

מסקנה

כימיה קוונטית מספקת בסיס תיאורטי חזק לעיצוב רציונלי של ננו-חומרים עם תכונות אופטיות מבוקרות בדיוק. על ידי פתרון הפרטים ברמת האטומית של מבנה אלקטרוני, המחייב Exciton, וכימיה פני השטח, שיטות חישוביות משלימים ומזרזות גילוי ניסיוני.מגודל ניתן להגדרה של ערכות קוונטיות של ערכות קוונטיות יותר ויותר לתחומים פילמוסניים אינטנסיביים של חלקיקים, סינרגיים בין סינתזה לבין שיטות אנרגיה אופטית, אשר ימשיכו להיות יותר ויותר מתקדמות יותר ויותר, כמו גם שיטות טכנולוגיות אופטיות, כמו גם שיטות אנרגיה אופטיות, כמו גם שיטות טכנולוגיות אופטיות, כמו גם יותר ויותר מתקדמות יותר ויותר, כמו גם שיטות טכנולוגיות אופטיות, כמו גם שיטות מכניות, כמו גם יותר ויותר, כמו גם שיטות טכנולוגיות אופטיות, וטכנולוגיות אופטיות, אשר הופכות, וטכנולוגיות אופטיות, וטכנולוגיות אופטיות, כמו גם שיטות טכנולוגיות אופטיות, אשר הופכות, אשר הופכות, אשר הופכות יותר ויותר מתקדמות יותר ויותר, מתקדמות יותר ויותר, כמו גם שיטות טכנולוגיות אופטיות, כמו גם שיטות טכנולוגיות אופטיות יותר ויותר, כמו גם שיטות טכנולוגיות אופטיות, כמו גם שיטות טכנולוגיות אופטיות, כמו גם שיטות טכנולוגיות אופטיות, אשר הופכות, אשר הופכות, מתקדמות יותר ויותר, כמו גם שיטות טכנולוגיות אופטי