Study of Structural and Optoelectronic Properties of Hexagonal ZnO Nanoparticles

Öz

Bu çalışmada, yoğunluk fonksiyonel sıkı bağlama (DFTB) yöntemini kullanarak, ZnO nano parçacığının yapısal ve elektronik özellikleri incelendi. İlk olarak, 258 atom içeren ~ 0.9 nm çaplı olan bir altıgen kristal yapısına dayanan 30x30x30 ZnO NP karakterize edildi. İkinci olarak, ZnO nanoparçacığının HOMO, LUMO elektronik özellikleri, bant boşluğu enerjileri, Fermi seviyeleri ve durum yoğunluğu (DOS) hesaplandı. Bu özellikler ayrıca sıcaklığa bağlı olarak ta analiz edildi (en fazla 1000 K). Zn-Zn, O-O, Zn-O gibi ikili etkileşimlerin bağ sayısı, ayrılma olayları ve radyal dağılım fonksiyonu (RDF) gibi yapısal analiz, yeni algoritmalar kullanılarak incelendi. Sonuçlarımız, Zn-Zn bağlarının sayısının O-O ve Zn-O bağlarından daha fazla olduğunu göstermektedir; bu nedenle, Zn atomlarının O atomları bağ yapmayı daha çok tercih ettiği görülmektedir. Ayrıca durum yoğunluğunu (DOS) analiz ettik ve ZnO parçacığının yarı iletken benzeri bir karakter gösterdiğini gözlemledik. Sıcaklığa bağlı, HOMO-LUMO enerji boşluğu arttığı görüldü. Ayrıca, sonuçların deneysel verilerle uyumlu olduğu bulundu.

 

Anahtar Kelimeler

• ZnO,Nanoparçacıklar,Bant aralığı,Elektronik yapı,DFTB

Hegzagonal ZnO nano parçacıklarının yapısal ve elektronik özelliklerinin incelenmesi

Öz

Bu çalışmada, yoğunluk fonksiyonel sıkı bağlama (DFTB) yöntemini kullanarak, ZnO nano parçacığının yapısal ve elektronik özellikleri incelendi. İlk olarak, 258 atom içeren ~ 0.9 nm çaplı olan bir altıgen kristal yapısına dayanan 30x30x30 ZnO NP karakterize edildi. İkinci olarak, ZnO nanoparçacığının HOMO, LUMO elektronik özellikleri, bant boşluğu enerjileri, Fermi seviyeleri ve durum yoğunluğu (DOS) hesaplandı. Bu özellikler ayrıca sıcaklığa bağlı olarak ta analiz edildi (en fazla 1000 K). Zn-Zn, O-O, Zn-O gibi ikili etkileşimlerin bağ sayısı, ayrılma olayları ve radyal dağılım fonksiyonu (RDF) gibi yapısal analiz, yeni algoritmalar kullanılarak incelendi. Sonuçlarımız, Zn-Zn bağlarının sayısının O-O ve Zn-O bağlarından daha fazla olduğunu göstermektedir; bu nedenle, Zn atomlarının O atomları bağ yapmayı daha çok tercih ettiği görülmektedir. Ayrıca durum yoğunluğunu (DOS) analiz ettik ve ZnO parçacığının yarı iletken benzeri bir karakter gösterdiğini gözlemledik. Sıcaklığa bağlı, HOMO-LUMO enerji boşluğu arttığı görüldü. Ayrıca, sonuçların deneysel verilerle uyumlu olduğu bulundu.

Anahtar Kelimeler

• Electronic structure,ZnO,Nanoparticles,Bandgap,DFTB

Kaynakça

1. [1] Wang, C. L., Zhang, H., Zhang, J. H., Li, M. J., Sun, H. Z., & Yang, B. (2007). Application of Ultrasonic Irradiation in Aqueous Synthesis of Highly Fluorescent CdTe/CdSCore-Shell Nanocrystals. J. Phys. Chem. C111, 2465-2469.
2. [2] Yang, P., Tretiak, S., Masunov, A. E., & Ivanov, S. (2008). Quantum chemistry of the minimal CdSe clusters. J. Chem. Phys. 129, 074709 (1—12).
3. [3] Kushwaha, A. K. (2012). Lattice dynamical calculations for HgTe, CdTe and their ternary alloy CdxHg1−xTe. Comp. Mater Sci. 65, 315-319.
4. [4] Chang S-P., & Chen, K-J. (2012). Zinc Oxide NP Photodetector. J. Nanomater. 2012, 1-5.
5. [5] Barzinjy, A. A., Mustafa, S., & Ismael, H. H. J. (2019). Characterization of ZnO NPs Prepared from Green Synthesis Using Euphorbia Petiolata Leaves. EAJSE 4, 74-83.
6. [6] Zhang, Y., Nayak, T. R., Hong, H., & Cai, W. (2013). Biomedical applications of zinc oxide nanomaterials. Curr. Mol. Med. 13(10), 1633-1645.
7. [7] Kurban, M. (2018). Electronic structure, optical and structural properties of Si, Ni, B and N-doped a carbon nanotube: DFT study. Optik 172, 295-301.
8. [8] Rezkallah, T., Djabri, I., Koç, M. M., Erkovan, M., Chumakov, Y., & Chemam F. (2017). Investigation of the electronic and magnetic properties of Mn doped ZnO using the FP-LAPW method. Chin. J. Phys. 55, 1432-1440.

9. [9] Akgül, G., & Akgül, F. A. (2019). Kobalt Katkılı Çinko Oksit Nanoparçacıklarının Yapısal Özelliklerinin İncelenmesi. Selcuk Univ. J. Eng. Sci. Tech. 7, 105-114.
10. [10] Akgül, G., Akgül, F. A., Attenkofer, K., & Winterer, M. (2013). Structural properties of zinc oxide and titanium dioxide nanoparticles prepared by chemical vapor synthesis. J. Alloys Compd. 554, 177-181.
11. [11] Koç, M. M., Aslan, N., Erkovan, M., Aksakal, B., Uzun, O., Farooq, W. A., & Yakuphanoğlu, F. (2019). Electrical Characterization of Solar Sensitive Zinc Oxide Doped-Amorphous Carbon Photodiode. Optik 178, 316-326.
12. [12] Aradi, B., Hourahine, B., & Frauenheim, T. (2007). DFTB+, a Sparse Matrix-Based Implementation of the DFTB Method. J. Phys. Chem. A 111, 5678-5684.
13. [13] Gaus, M., Goez, A., & Elstneri, M., (2013). Parametrization and Benchmark of DFTB3 for Organic Molecules. J. Chem. Theory Comput. 9, 338-354.
14. [14] Kubillus, M., Kubař, T., Gaus, M., Řezáč, J., & Elstner, M. (2015). Parameterization of the DFTB3 Method for Br, Ca, Cl, F, I, K, and Na in Organic and Biological Systems. J. Chem. Theory Comput. 11, 332–342.
15. [15] Wu, X., Wei, Z., Liu, Q., Pang, T., & Wu, G. (2016). Structure and bonding in quaternary Ag-Au-Pd-Pt clusters. J Alloy. Compd. 687, 115-120.
16. [16] NIST Standard Reference Database (2019). Experimental bond lengths. https://cccbdb.nist.gov/expbondlengths1.asp.
17. [17] Czajkowski, M. A., & Koperski, J. (1999). The Cd2 and Zn2 van der Waals dimers revisited. Correction for some molecular potential parameters. Spectrochim. Acta, Part A 55, 2221-2229.
18. [18] Kurban, M., Malcıoğlu, O. B., & Erkoç, Ş., (2016). Structural and thermal properties of Cd-Zn-Te ternary NPs: Molecular-dynamics simulations. Chem. Phys. 464, 40-45.
19. [19] Kurban, M. (2018). Size and composition dependent structure of ternary Cd-Te-Se nanoparticles. Turk. J. Phys. 42, 443-454.
20. [20] Kurban, H., Kurban, M., & Dalkılıç, M. (2019). Density-functional tight-binding approach for the structural analysis and electronic structure of copper hydride metallic nanoparticles, Mater. Today Commun. 21, 100648(1-7).
21. [21] Kurban, M. (2018). Molecular Dynamics study on the structural, thermal and energetic properties of GaAs Nanoparticles, ESTUJST-A, 19(3), 620-627.
22. [22] Kurban, M., & Erkoç, Ş. (2017). Segregation formation, thermal and electronic properties of ternary cubic CdZnTe clusters: DFT calculations and MD simulations, Physica E, 88, 243-251.