Введение к работе
Актуальность темы. Наиболее важные особенности характеристик наносистем обусловлены не конкретным фактором уменьшения размеров частиц, элементов или структур, а принципиально новыми качественными явлениями, присущими наномасштабу, когда на макроскопические параметры получаемых продуктов оказывают влияние закономерности квантовой механики. Использование определенных характеристик наноструктур позволяет существенно улучшить свойства материалов и создать устройства с возможностями, которые ранее были недостижимы на основе применения традиционных технологий.
Так, совсем недавно А. К. Геймом и К. С. Новосёловым, лауреатами Нобелевской премии по физике 2010 года, были получены новые наноструктуры -графены, обещающие стать одним из основных элементов наноэлектроники.
Для количественной оценки фотоэлектронных, электронодонорных и электроноакцепторных свойств необходимо использовать уравнения квантовой механики. Расчеты модельных наноструктур можно реализовать только с помощью применения сложного математического аппарата квантовой механики и численных методов.
В последнее время наибольшой интерес вызывают наносистемы, постороенные на основе молекул фталопианинов, порфиринов и графена, поскольку, в силу их плоской структуры они являются органическими полупроводниками р-типа и обладают уникальными полупроводниковыми свойствами.
Особое внимание уделяется исследованию полупроводниковых и люминесцентных свойств вышеуказанных соединений, благодаря которым возможно их использование в «органической» электронике в виде активных слоев в полевых транзисторах, устройствах хранения информации, светоизлучающих диодах, сенсорах и элементах солнечных батарей.
На свойства рассматриваемых в работе соединений в значительной мере влияет их молекулярное строение: природа центрального атома металла, наличие периферийных заместителей различной природы, способность к полимеризации.
Структурные особенности и функциональные свойства пленок незамещенных фталоцианинатов и порфиринов металлов к настоящему времени исследованы достаточно подробно экспериментально. Публикаций, относящихся к исследованию фталоцианинатов и порфиринов, содержащих заместители, представлено значительно меньше.
Таким образом, исследование влияния молекулярного строения фталоцианинатов, порфиринов и графена на физико-химические, фотоэлектронные и полупроводниковые свойства представляется весьма важной и актуальной задачей.
Предложенные в диссертации математические модели и методики расчетов электронной структуры, фотоэлектронных свойств соединений и их изменения в присутствии подложки имеют большое теоретическое и практическое значение.
Целью диссертационной работы являлось исследование структурных особенностей органических полупроводников - ряда замещенных фталопианинов металлов, порфиринов и графена, изучение влияния структуры на физико-химические характеристики соединений, а также разработка математической модели взаимодействия многоцентровой многозарядной системы с диэлектриками и металлом.
Методы исследования. Основными методами исследования являются методы математического и компьютерного моделирования, методы численного эксперимента. Основные положения и результаты, выносимые на защиту:
Результаты исследования структурных особенностей строения и физико-химических характеристик замещенных фталоцианинов, порфиринов и графена.
Методика оценки потенциалов ионизации фталоцианинов, порфиринов и графена в рамках метода функционала электронной плотности B3LYP.
Данные по расчету и интерпретации ИК спектров замещенных фталоцианинов и порфиринов.
Математическая модель расчета взаимодействия многоцентровой многозарядной системы с подложкой.
Комплекс программ для решения задач взаимодействия наноструктур с поверхностями и полученные с его использованием результаты вычислительных экспериментов, демонстрирующие адекватность разработанной модели.
Научная новизна. В рамках метода функционала электронной плотности B3LYP/6-31G и UB3LYP/6-31G рассчитаны молекулярные структуры фталоцианина и порфирина цинка, их производных, а также графена. Результаты расчета равновесной геометрии хорошо согласуются с известными экспериментальными значениями длин связей и углов. Вычислены энергии молекулярных уровней, определены значения эффективных зарядов на атомах, полная энергия систем в основном и ионизованном состояниях.
Разработана методика оценки потенциалов ионизации фталоцианината цинка и его производных. Выявлен характер зависимости потенциала ионизации от молекулярной структуры.
Выполнено детальное отнесение колебаний в ИК спектрах замещенных фталоцианинов и порфиринов на основании результатов квантово-химического расчета.
Предложена модель в формализме матрицы плотности, описывающая изменение фотохимических и фотоэлектронных свойств органических полупроводников, определяемых потенциалом ионизации, при взаимодействии с поверхностью. Разработано программное обеспечение, реализующее предложенную модель, позволяющее проводить численные эксперименты по моделированию свойств материала в поле подложки.
Практическая значимость работы. Проведенные расчеты показывают, что методом функционала электронной плотности с помощью предлагаемой методики можно прогнозировать молекулярные свойства веществ, в частности, потенциал ионизации, поляризуемость и ИК спектр поглощения в зависимости от их структуры. Несмотря на то, что все частоты колебаний не характеристичны по частоте и по форме, представленное в работе отнесение их по типу колебаний позволяет экспериментаторам идентифицировать частоты колебаний при исследовании спектров аналогичных соединений и наноструктур на их основе.
Разработанная квантово-механическая математическая модель позволяет прогнозировать фотохимические и фотоэлектронные свойства веществ, а также их изменения при взаимодействии с поверхностью. Это актуально в свете бурного развития нанотехнологий. Предложенная методика применима и к более сложным наноструктурам.
Достоверность и обоснованность полученных результатов обеспечиваются корректным применением методов математического моделирования, квантовой механики и вычислительной математики. Программы, реализующие предложенные модели, прошли отладку и тестирование на задачах, решения которых известны. Результаты, полученные при расчетах, соответствуют приведенным в литературе результатам экспериментов.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на 40-й международной конференции студентов и аспирантов «Процессы управления и устойчивость» (СПб, СПбГУ, факультет ПМ-ПУ, 2009 г.), на всероссийской конференции, посвященной 80-летию со дня рождения В. И. Зубова «Устойчивость и процессы управления» (СПб, СПбГУ, 2010 г.), на международной научно-технической конференции «Наука и образование - 2009» (Мурманск, МГТУ, 2009 г.) а также обсуждались на научных семинарах кафедры моделирования электромеханических и компьютерных систем факультета ПМ-ПУ СПбГУ.
Публикации. Основные положения диссертации достаточно полно изложены в 5 опубликованных в печати работах, в том числе в 2 статьях в журналах, входящих в перечень ВАК ведущих российских и зарубежных изданий, рекомендуемых для публикации результатов диссертаций. Список работ приведен в конце автореферата.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и списка литературы. Объем работы составляет 108 страниц, среди которых 19 таблиц и 28 рисунков. Список литературы включает 108 наименований.
