Диэлектрическая проницаемость борных нанотрубок с дефектами замещения

Интерес к нанотрубкам с дефектами подтверждается рядом работ. Например, в работе [1] изучается магнетизм в дефектных одностенных боронитридных нанотрубках с помощью теории функционала плотности.

В работе [2] указывается на существенный характер влияния дефектов в нанотрубках (примеси, вакансии, топологические дефекты).

Важное приложение нашли дефектные бо-ронитридные нанотрубки [3] и нанотрубки до-пированные кислородом [4] в области создания лазеров на нанотрубках. В работах указывается способ создания излучателя благодаря распаду экситона на дефекте с излучением света. Интенсивность излучения определяется качеством формирования дефекта.

В данной работе изучены оптические свойства нанотубулярных форм бора. Получены энергетические зависимости мнимой и действительной части комплексной диэлектрической проницаемости для геометрии, представленной на рис. 1.

Рис. 1. Геометрия борных нанотрубок без дефектов (слева), с дефектом замещения азотом (в центре) и с дефектом замещения углеродом (справа)

Моделирование структуры борных трубок проводилось с использованием метода DFT, представленного в SIESTA. Эта программа сочетает в себе нормированные псевдопотенциалы с локальными базисными функциями. Расчеты велись в формализме обобщенного градиентного приближения (GGA, PBE) с и с пользованием базиса орбиталей DZP с отсеканием энергий больших 300.0 ридберг. Для оптимизации структуры чисто борной трубки использовался метод молекулярной динамики сопряженных градиентов (CG). Оптимизация структур с дефектами не проводилась. Параметр сходимости самосогласованного функционала E10-4. В моделировании взаимодействия электромагнитного излучения с веществом использовался p-поляризованный свет при нулевом угле падения по отношению к оси нанотрубки. Параметр уширения пиков – 0.1 эВ. Псевдопотенциалы были взяты с сайта [5].

Полученные зависимости позволяют сделать вывод о том, что введение примесей сильно влияет на спектр. В случае введения в качестве примеси атома углерода (один атом на 19 атомов бора), в действительной части наблюдается отрицательная область, а в случае введения атома азота – две отрицательные области. Отрицательные области отсутствуют в чисто борных нанотрубках.

Расчет производился, исходя из того, что нанотрубка является одномерным кристаллом, пространственной дисперсией пренебрегалось,

Ю.М. АЛЕКСАНДРОВ, В.В. ЯЦЫШЕН

ФВПиРТС, 2015

Рис. 2. Действительная и мнимая часть диэлектрической проницаемости борной нанотрубки с дефектом замещения азотом

Рис. 3. Действительная и мнимая часть диэлектрической проницаемости борной нанотрубки с дефектом замещения углеродом

оценивался вклад состояний со всеми значениями волновых векторов зоны Бриллюэна. Ниже представлена формула мнимой части диэлектрической проницаемости, которой оперирует программа квантовомеханических расчетов SIESTA.

Im[ s 0 ( n , to )] = 2       [dk ³ УУ f i (1 - f j ) x

V cell       _ij

×

К T i ( k )| V n |y j ( k )) 2

( ε _j -ε _i )²

δ ( ε i

-ε _j ±ω ).

Действительная часть вычислялась на основе мнимой с помощью соотношений Крамерса – Кронига.

На рис. 2 и 3 очевидно заметное изменение оптических постоянных при введении небольшого количества примесей азота. На рис. 2 наблюдается отрицательная область в действительной части диэлектрической проницаемости на энергиях от 0,3 до 1,78 эВ для борной нанотрубки с дефектом замещения углеродом, а также от 0,09 до 0,21 и 0,43 до конца расчетного промежутка