Моделирование электронной структуры и сенсорных свойств наноструктурированных смешанных оксидов

Август 7, 2022

Главная
Химия
Моделирование электронной структуры и сенсорных свойств наноструктурированных смешанных оксидов

Содержание

2. Построение математической модели сенсорных слоев, адекватно описывающей закономерности работы полупроводниковых датчиков на основе бинарных нанокомпозиционных систем.
3. CЭМ-изображение чувствительной плёнки In2O3 Средний размер наночастиц - 70 nm 3
4. Механизм сенсорного эффекта Реакция Oad + e- = O(-)ad уменьшает проводимость системы. Восстановительные газы (H2, …)
5. Почему можно использовать статистическое описание? Плотность электронов в зоне проводимости In2O3 nc 1018-1019 см-3 На одну
6. Как электроны распределяются по уровням энергии? Большой термодинамический потенциал . Концентрация электронов в каждой из подсистем
7. Граничные условия 7 Электрическое поле внутри наночастицы Условие электронейтральности (7) (8) (9) neutral area
8. Кинетические уравнения сенсорного процесса в стационарном режиме , , – стационарные концентрации молекул, атомов и ионов
9. Радиальная зависимость плот-ности электронов проводи-мости для разных температур при радиусе наночастицы R0 = 37 нм. Энергия
10. Зависимость относительной плотности электронов проводимости от расстояния от центра (r/R0) для разных радиусов R0 наночастиц при
11. Э. п. при температуре Т = 600 К для различных радиусов наночастиц. Электростатический потенциал внутри наночастицы
12. Зависимость числа поверхностных зарядов от радиуса наночастицы при температуре 600 K. Число зарядов на поверхности Зависимость
13. T-зависимость отклика сенсора In2O3 на водород Причины некоторого несоответствия: 1. Использован средний радиус наночастиц вместо разброса
14. Параметры, используемые при расчёте отклика сенсора In2O3 на водород 16
15. Кинетика сопротивления плёнки In2O3 после напуска водорода. Температура - 400 °C. 9 Кинетика сопротивления при напуске
16. 10 Т- зависимость константы скорости kcap захвата электрона проводимости адсорбированными атомами кислородом. Кинетика проводимости плёнки In2O3
17. Адсорбция О2 на поверхность In2O3 (011) Курмангалеев К.С., Михайлова Т.Ю., Трахтенберг Л.И. Хемосорбция кислорода на поверхности
18. ПЭМ-изображение тонкой плёнки 3% CeO2 - 97% In2O3 1 – In2O3, 2 – CeO2; (b) схематичное
19. Образование гетероперехода CeO2 - In2O3 Авыхода (In2O3)= 4.3 эВ меньше по сравнению Авыхода (CeO2 )= 4.8
20. (13) (12) 23 Кинетические уравнения сенсорного процесса двухкомпонентной системы в стационарном режиме
21. Сенсорный эффект в бинарной системе CeO2-In2O3 Эксперимент Теория Полученные результаты указывают на спилловер кислорода на поверхность
22. Параметры, используемые при расчёте отклика сенсора СeO2-In2O3 на водород 16
23. 1. Найдены зависимости электронной плотности в наночастицах в однокомпонентных полупроводниковых системах от внешних условий, в которых
24. Список работ, опубликованных по теме диссертации Bodneva V.L., Ilegbusi O.J., Kozhushner M.A. , Kurmangaleev K.S., Posvyanskii
26. Скачать презентацию

Слайд 2

Построение математической модели сенсорных слоев, адекватно описывающей закономерности работы полупроводниковых датчиков

на основе бинарных нанокомпозиционных систем.
Моделирование распределения электронной плотности в однокомпонентных наноструктурированных полупроводниковых системах с учетом физико-химических процессов на поверхности наночастиц.
Определение экспериментальными и квантово-химическими методами параметров электрофизических и физико-химических процессов, протекающих в сенсорной системе.
Моделирование распределения электронной плотности в двухкомпонентных наноструктурированных полупроводниковых системах.
Сенсорный эффект в одно- и двухкомпонентных наноразмерных системах. Сопоставление теории с экспериментальными данными на примере чувствительности к водороду систем In2O3 и CeO2-In2O3.

Цель исследования

Задачи

Слайд 3

CЭМ-изображение чувствительной плёнки In2O3
Средний размер наночастиц - 70 nm
3

Слайд 4

Механизм сенсорного эффекта
Реакция Oad + e- = O(-)ad уменьшает проводимость

системы.
Восстановительные газы (H2, …) реагируют с ионами кислорода (H2ad + O(-)ad → H2Odes + e-), электроны освобождаются и переходят в зону проводимости. Проводимость растет – сенсорный эффект.

Модель зонной диаграммы оксида индия.

nс - равновесная концентрация электронов в зоне проводимости

Чувствительность сенсора –

Слайд 5

Почему можно использовать статистическое описание?

Плотность электронов в зоне проводимости In2O3
nc

1018-1019 см-3
На одну наночастицу диаметром
l = 100 нм приходится
(π/6)l3nc ≈ 103-104 электронов.
Часть электронов находится на поверхности.

Слайд 6

Как электроны распределяются по уровням энергии?
Большой термодинамический потенциал .
Концентрация электронов в

каждой из подсистем

(4)

(5)

(6)

- потенциал электронов в зоне проводимости

- потенциал электронов на донорных вакансиях

- потенциал электронов на кислородных ловушках

Слайд 7

Граничные условия

Электрическое поле внутри наночастицы

Условие электронейтральности

(7)

(8)

(9)

neutral area

Слайд 8

Кинетические уравнения сенсорного процесса в стационарном режиме

, ,

– стационарные концентрации молекул, атомов и ионов кислорода

Слайд 9

Радиальная зависимость плот-ности электронов проводи-мости для разных температур при радиусе наночастицы

R0 = 37 нм. Энергия связи электрона на адсорбированном атоме O- - εO = 0.54 эВ.

Радиальная зависимость плотности электронов проводимости в наночастице In2O3

Вставить картинку с водородом

Слайд 10

Зависимость относительной плотности электронов проводимости от расстояния от центра (r/R0)

для разных радиусов R0 наночастиц при температуре Т = 600 К.

Радиальная зависимость плотности электронов проводимости в наночастице In2O3

Вставить картинку с водородом

Слайд 11

Э. п. при температуре Т = 600 К для различных радиусов

наночастиц.

Электростатический потенциал внутри наночастицы в In2O3

Э. п. при радиусе наночастицы 37 нм для различных температур.

Привести величину поля и нарисовать электрическое поле

Слайд 12

Зависимость числа поверхностных зарядов от радиуса наночастицы при температуре 600

Число зарядов на поверхности

Зависимость числа поверхностных зарядов от температуры при радиусе наночастицы 37 нм.

Слайд 13

T-зависимость отклика сенсора In2O3 на водород
Причины некоторого несоответствия:
1. Использован средний радиус

наночастиц вместо разброса частиц по размерам;
2. Вычисления проводились для сферических наночастиц.

Экспериментальная (а) и теоретическая (б) зависимости чувствительности In2O3 сенсора от температуры для различных концен-траций водорода.

Bodneva V.L., Ilegbusi O.J., Kozhushner M.A., Kurmangaleev K.S., Posvyanskii V.S., Trakhtenberg L.I. Modeling of sensor properties for reducing gases and charge distribution in nanostructured oxides: A comparison of theory with experimental data // Sensors and Actuators B: Chemical. - 2019. - V. 287, № 15. - P. 218-224.

Слайд 14

Параметры, используемые при расчёте отклика сенсора In2O3 на водород

Слайд 15

Кинетика сопротивления плёнки In2O3 после напуска водорода. Температура - 400 °C.

Кинетика сопротивления при напуске водорода

Т-зависимость константы скорости KH2O реакции водорода с анионами кислорода с образованием молекулы воды .

Слайд 16

10
Т- зависимость константы скорости kcap захвата электрона проводимости адсорбированными атомами

кислородом.

Кинетика проводимости плёнки In2O3 после напуска кислорода. Температура - 400 °C.

Кинетика проводимости при напуске кислорода

Слайд 17

Адсорбция О2 на поверхность In2O3 (011)
Курмангалеев К.С., Михайлова Т.Ю., Трахтенберг Л.И.

Хемосорбция кислорода на поверхности нанокристалла In2O3 // Неорганические материалы. - 2020. - T. 56, № 11. - С. 1199-1207.

Расчёт энергии адсорбции основан на теории функционала плотности методом псевдопотенциала в базисе плоских волн с энергией обрезки 680 эВ, в обобщенном градиентном приближении c PBE обменно-корреляционным функционалом. Схема k-сетки, построенная по методу Монкхорста-Пака, имеет размеры 6 × 6 × 1. Все процессы оптимизации проводились до тех пор, пока силы, действующие на ионы, не становились меньше 0.03 эВ/Å.

Зависимость полной энергии системы «пластина + O2» от расстояния между свободной молекулой кислорода и пластиной.

Слайд 18

ПЭМ-изображение тонкой плёнки
3% CeO2 - 97% In2O3
1 –

In2O3, 2 – CeO2; (b) схематичное представление элемента плёнки (the ratio of their radii is one to twelve); (c) and (d) – распределение размеров частиц оксида индия (c) и оксида церия (d) в композите 3% CeO2 - 97% In2O3.

K.S. Kurmangaleev, M.I. Ikim, M.A. Kozhushner , L.I. Trakhtenberg, Electron distribution and electrical resistance in nanostructured mixed oxides CeO2-In2O3, Applied Surface Science, 2021, V. 546, P. 149011

Слайд 19

Образование гетероперехода
CeO2 - In2O3
Авыхода (In2O3)= 4.3 эВ меньше по сравнению Авыхода

(CeO2 )= 4.8 эВ

Прерывание перколяционных путей по наночастицам In2O3

Перетекание атомов кислорода с нанокластеров CeO2 на поверхность наночастиц In2O3

Написать заглавие и убрать картинку с сопротивлением

Слайд 20

(13)
(12)
23
Кинетические уравнения сенсорного процесса двухкомпонентной системы в стационарном режиме

Слайд 21

Сенсорный эффект в бинарной системе CeO2-In2O3
Эксперимент
Теория
Полученные результаты указывают на спилловер

кислорода на поверхность наночастиц In2O3 с контактирующих с ними нанокластеров CeO2 .

Слайд 22

Параметры, используемые при расчёте отклика сенсора СeO2-In2O3 на водород

Слайд 23

1. Найдены зависимости электронной плотности в наночастицах в однокомпонентных полупроводниковых системах

от внешних условий, в которых находится чувствительный элемент: температура, концентрация адсорбированного кислорода и анализируемого газа.
2. В рамках теории функционала плотности получены параметры сенсорной системы: теплота адсорбции, энергия активации адсорбции, валентная частота колебания связи в молекуле кислорода, которые позволяют описать процессы, происходящие при адсорбции молекулярного кислорода на поверхность оксида индия (011).
3. Получено распределение электронной плотности в двухкомпонентных полупроводниковых системах при различных температурах, радиусах наночастиц и концентрациях компонентов с учетом физико-химических процессов на поверхности наночастиц.
4. Найдены теоретические зависимости сенсорного эффекта в одно- и двухкомпонентных наноразмерных системах от температуры. Получено согласие теории с экспериментальными данными на примере чувствительности к водороду систем на основе In2O3 и CeO2-In2O3.

Выводы и результаты

Слайд 24

Список работ, опубликованных по теме диссертации
Bodneva V.L., Ilegbusi O.J., Kozhushner M.A.

, Kurmangaleev K.S., Posvyanskii V.S., Trakhtenberg L.I. Modeling of sensor properties for reducing gases and charge distribution in nanostructured oxides: A comparison of theory with experimental data // Sensors and Actuators B: Chemical. - 2019. - V. 287, № 15. - P. 218-224.
Курмангалеев К.С., Кожушнер М.А. , Трахтенберг Л.И. Электрическое сопротивление структурированных на наноуровне бинарных оксидов CeO2-In2O3 // Химическая физика. - 2020. - T. 39, № 11. - C. 89-92.
Курмангалеев К.С., Михайлова Т.Ю., Трахтенберг Л.И. Хемосорбция кислорода на поверхности нанокристалла In2O3 (011) // Неорганические материалы. - 2020. - T. 56, № 11. - С. 1199-1207.
Kurmangaleev K.S., Ikim M.I., Kozhushner M.A. , Trakhtenberg L.I. Electron distribution and electrical resistance in nanostructured mixed oxides CeO2-In2O3 // Applied Surface Science. - 2021. - V. 546. - P. 149011
Курмангалеев К.С., Михайлова Т.Ю., Трахтенберг Л.И. Неэмпирическое исследование особенностей адсорбции кислорода на поверхность In2O3 // Неорганические материалы. - 2022. - Т. 58, № 3. - С. 290-296.

Моделирование электронной структуры и сенсорных свойств наноструктурированных смешанных оксидов

Содержание

Построение математической модели сенсорных слоев, адекватно описывающей закономерности работы полупроводниковых датчиков

CЭМ-изображение чувствительной плёнки In2O3Средний размер наночастиц - 70 nm3

Механизм сенсорного эффектаРеакция Oad + e- = O(-)ad уменьшает проводимость

Почему можно использовать статистическое описание? Плотность электронов в зоне проводимости In2O3nc

Как электроны распределяются по уровням энергии?Большой термодинамический потенциал .Концентрация электронов в

Кинетические уравнения сенсорного процесса в стационарном режиме , ,