Исследование структуры монослойного TiS3, допированного катионами Sc, V, Cr, Mn и Nb методом ab-initio
Автор: Арсентьев М.Ю., Ковалько Н.Ю.
Журнал: Форум молодых ученых @forum-nauka
Статья в выпуске: 10 (26), 2018 года.
Бесплатный доступ
В настоящее время активно веедется поиск материалов для хранения водорода, среди которых двумерные материалы привлекают внимание исследователей благодаря высокому отношению удельной поверхности к занимаемому объему. Одним из популярных методов улучшения свойств материалов любого типа традиционно считается допирование. В данной работе методом теории функционала электронной плотности исследованы структурные изменения, происходящие в двумерном TiS3 при его допировании катионами Sc, V, Cr, Mn и Nb. Нами показано, что сохранение структуры и наименьшие ее изменения имеют место при допировании TiS3 Sc, V и Nb. Отсюда следует, что данные допанты способствуют сохранению стабильности и их следует использовать в экспериментах.
Теория функционала электронной плотности, сульфид титана, твердый раствор, двумерные материалы, допирование
Короткий адрес: https://sciup.org/140280198
IDR: 140280198
Текст научной статьи Исследование структуры монослойного TiS3, допированного катионами Sc, V, Cr, Mn и Nb методом ab-initio
Создание транспортных средств, использующих водород в качестве топлива, немыслемо без разработки материалов для эффективного хранения водорода [1]. В последнее время для создания данных материалов внимание исследователей привлекают двумерные материалы, поскольку обладают высоким отношением удельной поверхности к занимаемому объему [1]. Однако на данном пути существует множество проблем, таких как обеспечение приемлемой удельной емкости и кинетики адсорбции [2]. Одним из признанных методов улучшения свойств материалов является допирование. При этом исследование структурных изменений, происходящих с материалом при его допировании является одной из важных задач. Перечисленные выше методы будут использоваться в данной работе для исследования структурных изменений, происходящих в монослойном TiS 3 при его допировании катионами Sc, V, Cr, Mn и Nb.
Все расчеты периодических твердых тел методом функционала электронной плотности (англ. density functional theory, DFT) были выполнены с использованием программного пакета SIESTA [3,4]. С помошью данной программы проводилась релаксация структуры изучаемых объектов. Для анализа структуры нами использовался программный пакет ToposPro [5].
Результаты изменения параметров решетки монослойного TiS 3 от вида допантов представлены на следующем рисунке:
Рисунок – зависимость параметров решетки монослойного TiS3 от вида допанта
Из рисунков видно, что вид зависимостей неоднозначен, однако во втором случае наблюдается парболическая зависимость. Однако внимательный анализ структуры монослойного TiS3, допированного Mn показывает, что в данном случае наблюдаются существенные искажения структуры, что должно отрицательно сказываться на стабильности. Внимательный анализ отрелаксрованных структур показал, что структура сохраняется лишь при использовании в качестве допанта Sc, V и Nb.
С использованием программы ToposPro нами проанализирована структура монослойного TiS 3 , допированного V. Нами построены полиэдры Вороного-Дирихле для атомов Ti и V. Данные полиэдры часто используются для кристаллохимического анализа структуры и являются важной характеристикой и отражают форму домена пространства, принадлежащего атому, его координацию, позволяют определить его степень окисления, прочность связей с соседними атомами и многое другое.
Рисунок – вид полиэдров Вороного-Дирихле, построенных для атомов Ti и V
Объемы полиэдров для атома V составляют 14.122 Å3, а радиус соответствующего сферического домена – R sd = 1.499 Å. Для Ti данные значения составляют 14.451 Å3 и 1.511 Å соответственно.
В работе показано, что для сохранения структуры и стабильности монослойного TiS3 при допировании в качестве допантов следует использовать Sc, V и Nb.
Работа поддержана стипендией Президента Российской Федерации для молодых ученых и аспирантов, осуществляющих перспективные научные исследования и разработки по приоритетным направлениям модернизации российской экономики: СП-1826.2018.1.
Список литературы Исследование структуры монослойного TiS3, допированного катионами Sc, V, Cr, Mn и Nb методом ab-initio
- Putungan D.B., Lin S.H., Wei C.M., Kuo J.L. Li adsorption, hydrogen storage and dissociation using monolayer MoS2: an ab initio random structure searching approach // Phys. Chem. Chem. Phys. - 2015. - V. 17. P. 11367-11374. DOI: 10.1039/c5cp00977d
- US Department of Energy's Energy Efficiency and Renewable Energy Website [Электронный ресурс] Режим доступа: http://www.hydrogen.energy.gov/annual_progress14_storage.html#c
- Soler J.M., Artacho E., Gale J.D., Garcia A., Junquera J., Ordejon P., Sanchez-Portal D. The SIESTA method for ab initio order-N materials simulation // J. Phys. Condens. Matter. - 2002. - V.
- P. 2745-2779.
- Junquera J., Paz O., Sanchez-Portal D., Artacho E. Numerical atomic orbitals for linear-scaling calculations // Phys. Rev. B. - 2001. - V. 64. P. 235111.
- Blatov V.A., Shevchenko A.P., Proserpio D.M. Applied Topological Analysis of Crystal Structures with the Program Package ToposPro // Cryst. Growth Des. - 2014. - V. 14. P. 3576-3586.
