系統識別號 | U0002-1607200821064500 |
---|---|
DOI | 10.6846/TKU.2008.00454 |
論文名稱(中文) | 矽團簇取代基的部分取代效應對能隙影響之理論計算研究 |
論文名稱(英文) | Theoretical investigation of the partial substituent effect of the energy gap of silicon clusters |
第三語言論文名稱 | |
校院名稱 | 淡江大學 |
系所名稱(中文) | 化學學系碩士班 |
系所名稱(英文) | Department of Chemistry |
外國學位學校名稱 | |
外國學位學院名稱 | |
外國學位研究所名稱 | |
學年度 | 96 |
學期 | 2 |
出版年 | 97 |
研究生(中文) | 簡郁璋 |
研究生(英文) | Yu-Chang Chien |
學號 | 695161124 |
學位類別 | 碩士 |
語言別 | 繁體中文 |
第二語言別 | |
口試日期 | 2008-06-10 |
論文頁數 | 154頁 |
口試委員 |
指導教授
-
王伯昌(bcw@mail.tku.edu.tw)
委員 - 江志強 委員 - 李世元 |
關鍵字(中) |
矽團簇 部分取代 能隙 理論計算 |
關鍵字(英) |
Silicon clusters computational chemistry partial substituent effect energy gap SIESTA |
第三語言關鍵字 | |
學科別分類 | |
中文摘要 |
使用SIESTA搭配B3LYP的方法來研究矽團簇取代基效應對其光學性質的影響。本篇論文選擇以Si35的Td點群矽團簇來進行計算。對矽團簇的全取代方面增加了氟元素對矽團簇的全取代計算,並與之前不同取代基對矽團簇全取代的結果比較。而在部分取代上我們選用五個較單純的取代基分別為-CH3、-CH=CH2、-OH、-NH2與-SH作為討論的對象,來計算部分取代後矽團簇的HOMO、LUMO與能隙值。計算結果得到具有強陰電性的F與OH對矽團簇的全取代上,會得到較低的能隙值。而在五種不同取代基對矽團簇的部分取代上,對HOMO的比較中,隨著NH2取代基的增加上升幅度最高,而SH的上升幅度是最小的;在LUMO的比較中,OH與SH會隨著取代基增加而下降;能隙的比較中可以看到OH隨著取代基增加有最低的能隙值。 |
英文摘要 |
For the investigation of the optical properties of Si nanoclusters as a function of surface passivation, we carried out a B3LYP/SIESTA calculation in the Si35 core clusters with different full passivated and partial passivated effect for the Td symmetry. We add F-terminations calculation for full passivated in order to compare the calculation results with data which we did in the past. In the part of partial passivated, we choice five sample substituents including CH3-, CH=CH2-, OH-, NH2- and SH- terminations and calculate their HOMO, LUMO and energy gap further. The full passivated calculated optical properties of F and OH passivation in Si35 nanoclusters [Si35F36 and Si35(OH)36], the energy gap is lower then another substituent. In the partial passivated calculated result, the energy gap decreases with increasing the OH substituent and makes the trend become lowest with other substituents. |
第三語言摘要 | |
論文目次 |
中文摘要 I 英文摘要 II 目 錄 III 表格索引 VI 圖片索引 VII 第一章 緒論 1-1 前言 1 1-2 太陽能電池的由來 2 1-3 太陽能電池的基本原理 2 1-4 以矽為主的太陽能電池材料 4 1-5 材料的奈米效應 6 1-6 太陽能的應用 9 1-7 研究動機 10 1-8 矽量子點的理論計算 11 第二章 量子化學計算原理與方法 2-1 前言 33 2-2 量子化學計算原理 37 2-2-1 薛丁格方程式 38 2-2-2 原子單位 40 2-2-3 波恩-歐本海莫近似法 41 2-2-4 分子軌域理論 44 2-2-5 變分法 46 2-3 矩陣力學 49 2-4 量子化學計算近似法 50 2-4-1 Hartree-Fock近似法 50 2-4-2 密度泛函理論 56 2-5 贗勢(Pseudopotential) 60 2-6 SIESTA計算方法 62 2-7 量子化學計算基底函數組 67 2-7-1 幾種基底函數介紹 68 2-7-2 最小基底函數STO-NG 73 2-7-3 分裂價層的基底函數 75 2-7-4 極化函數 77 2-7-5 擴散函數 78 第三章 研究設備 3-1 軟體設備 80 第四章 結果與討論 4-1 Si35F36的Td結構矽團簇計算結果與比較 85 4-2 Td為主結構的矽團簇以CH3作部分取代效應 89 4-3 Td為主結構的矽團簇以C2H3作部分取代效應 100 4-4 Td為主結構的矽團簇以OH作部分取代效應 111 4-5 Td為主結構的矽團簇以NH2作部分取代效應 122 4-6 Td為主結構的矽團簇以SH作部分取代效應 133 4-7 Td為主結構的雙矽團簇效應 143 第五章 結論 5-1 結論 147 5-2 未來展望 149 參考文獻 151 表格索引 表1-1 Td結構矽量子點不同計算方法單點計算的能隙比較 15 表1-2 以SIESTA計算Si35各種取代的能階與能隙 20 表1-3 以SIESTA搭配B3LYP單點計算Si35各種取代能階與能隙 23 表4-1 以SIESTA搭配B3LYP單點計算Si35各種取代能階與能隙 86 表4-2 以SIESTA計算Si35Hm(CH3)n的能階與能隙 89 表4-3 以B3LYP//SIESTA計算Si35Hm(CH3)n的能階與能隙 91 表4-4 以SIESTA計算Si35Hm(C2H3)n的能階與能隙 101 表4-5 以B3LYP//SIESTA計算Si35Hm(C2H3)n的能階與能隙 103 表4-6 以SIESTA計算Si35Hm(OH)n的能階與能隙 111 表4-7 以B3LYP//SIESTA計算Si35Hm(OH)n的能階與能隙 114 表4-8 以SIESTA計算Si35Hm(NH2)n的能階與能隙 122 表4-9 以B3LYP//SIESTA計算Si35Hm(NH2)n的能階與能隙 124 表4-10 以SIESTA計算Si35Hm(SH)n的能階與能隙 133 表4-11 以B3LYP//SIESTA計算Si35Hm(SH)n的能階與能隙 135 表4-12 以B3LYP//SIESTA計算雙矽團簇的能階與能隙(trans) 145 表4-13 以B3LYP//SIESTA計算雙矽團簇的能階與能隙(cis) 134 圖片索引 圖1-1 單晶矽太陽能電池發電原理 3 圖1-2 台灣科技建築中心 9 圖1-3 Td結構的矽量子點:a. Si5H12、b. Si17H36、c. Si29H36、d. Si35H36、e. Si47H60、f. Si71H108、g. Si99H100、h. Si147H148、i. Si281H172。 12 圖1-4 Ih結構的矽量子點:a. Si20H20、b. Si100H60、c. Si280H120 13 圖1-5 B3LYP//SIESTA與Zdetsis計算的能隙比較圖 14 圖1-6 以不同方法單點計算所得Td結構矽量子點的能隙比較 16 圖1-7 SIESTA搭配單點計算方法所得能隙與直徑的倒數之相關圖 16 圖1-8 Td結構的矽團簇衍生物:a.Si35H36、b.Si35(CH3)36、c.Si35(C2H5)36、d. Si35(C3H7)36、e. Si35(C2H3)36、f.Si35(OH)36、g. Si35(OCH3)36、h. Si35(NH2)36、 i. Si35(CH2NH2)36、j. Si35(CN)36、k. Si35(SH)36、 l. Si35(C3H6SH)36 18 圖1-9 以SIESTA計算Si35各種取代基能階與能隙圖 21 圖1-10 SIESTA搭配B3LYP單點計算Si35各種取代的能階與能隙圖 23 圖1-11 Si35H36的DOS分布圖 24 圖1-12 Si35H36的分子軌域圖 24 圖1-13 Si35(CH3)36的DOS分布圖 25 圖1-14 Si35(C2H5)36的DOS分布圖 25 圖1-15 Si35(C3H7)36的DOS分布圖 25 圖1-16 Si35(C2H3)36的DOS分布圖 25 圖1-17 Si35(CH3)36的分子軌域圖 26 圖1-18 Si35(C2H5)36的分子軌域圖 26 圖1-19 Si35(C3H7)36的分子軌域圖 26 圖1-20 Si35(C2H3)36的分子軌域圖 26 圖1-21 Si35(OH)36的DOS分布圖 27 圖1-22 Si35(OCH3)36的DOS分布圖 27 圖1-23 Si35(OH)36的分子軌域圖 28 圖1-24 Si35(OCH3)36的分子軌域圖 28 圖1-25 Si35(NH2)36的DOS分布圖 29 圖1-26 Si35(CH2NH2)36的DOS分布圖 29 圖1-27 Si35(CN)36的DOS分布圖 29 圖1-28 Si35(NH2)36的分子軌域圖 30 圖1-29 Si35(CH2NH2)36的分子軌域圖 30 圖1-30 Si35(CN)36的分子軌域圖 30 圖1-31 Si35(SH)36的DOS分布圖 31 圖1-32 Si35(C3H6SH)36的DOS分布圖 31 圖1-33 Si35(SH)36的分子軌域圖 32 圖1-34 Si35(C3H6SH)36的分子軌域圖 32 圖2-1 贗勢、贗波函數與全電子位能、波函數比較圖 62 圖2-2 氧原子的虛原子軌域 64 圖2-3 平面波基函數與軌域基函數對計算總能量收歛比較圖 67 圖2-4 在不同基函數計算總能量與晶格常數變化圖 67 圖2-5 比較STO-1G、STO-2G、STO-3G不同基底函數與1s軌域的Slater函數近似程度 75 圖2-6 對於極性分子系統的軌域型態,用加入額外軌域型態函數來加以修正(p軌域加上d函數;s軌域加上p函數) 78 圖4-1 Si35F36的Td結構矽團簇分子結構圖 85 圖4-2 SIESTA搭配B3LYP單點計算Si35各種取代的能階與能隙圖 86 圖4-3 Si35F36的DOS分布圖 87 圖4-4 Si35F36的分子軌域圖 88 圖4-5 以SIESTA計算CH3部分取代的能階與能隙圖 90 圖4-6 以B3LYP//SIESTA計算CH3部分取代的能階與能隙圖 92 圖4-7 Si35H35(CH3)的DOS分布圖 93 圖4-8 Si35H31(CH3)5的DOS分布圖 93 圖4-9 Si35H26(CH3)10的DOS分布圖 93 圖4-10 Si35H21(CH3)15的DOS分布圖 94 圖4-11 Si35H16(CH3)20的DOS分布圖 94 圖4-12 Si35H11(CH3)25的DOS分布圖 94 圖4-13 Si35H6(CH3)30的DOS分布圖 95 圖4-14 Si35H(CH3)35的DOS分布圖 95 圖4-15 Si35H35(CH3)的分子軌域圖 96 圖4-16 Si35H31(CH3)5的分子軌域圖 96 圖4-17 Si35H26(CH3)10的分子軌域圖 97 圖4-18 Si35H21(CH3)15的分子軌域圖 97 圖4-19 Si35H16(CH3)20的分子軌域圖 98 圖4-20 Si35H11(CH3)25的分子軌域圖 98 圖4-21 Si35H6(CH3)30的分子軌域圖 99 圖4-22 Si35H(CH3)35的分子軌域圖 99 圖4-23 以SIESTA計算C2H3部分取代的能階與能隙圖 102 圖4-24 以B3LYP//SIESTA計算C2H3部分取代的能階與能隙圖 103 圖4-25 Si35H35(C2H3)的DOS分布圖 104 圖4-26 Si35H31(C2H3)5的DOS分布圖 104 圖4-27 Si35H26(C2H3)10的DOS分布圖 104 圖4-28 Si35H21(C2H3)15的DOS分布圖 105 圖4-29 Si35H16(C2H3)20的DOS分布圖 105 圖4-30 Si35H11(C2H3)25的DOS分布圖 105 圖4-31 Si35H6(C2H3)30的DOS分布圖 106 圖4-32 Si35H(C2H3)35的DOS分布圖 106 圖4-33 Si35H35(C2H3)的分子軌域圖 107 圖4-34 Si35H31(C2H3)5的分子軌域圖 107 圖4-35 Si35H26(C2H3)10的分子軌域圖 108 圖4-36 Si35H21(C2H3)15的分子軌域圖 108 圖4-37 Si35H16(C2H3)20的分子軌域圖 109 圖4-38 Si35H11(C2H3)25的分子軌域圖 109 圖4-39 Si35H6(C2H3)30的分子軌域圖 110 圖4-40 Si35(C2H3)36的分子軌域圖 110 圖4-41 以SIESTA計算OH部分取代的能階與能隙圖 113 圖4-42 以B3LYP//SIESTA計算OH部分取代的能階與能隙圖 114 圖4-43 Si35H35(OH)的DOS分布圖 115 圖4-44 Si35H31(OH)5的DOS分布圖 115 圖4-45 Si35H26(OH)10的DOS分布圖 115 圖4-46 Si35H21(OH)15的DOS分布圖 116 圖4-47 Si35H16(OH)20的DOS分布圖 116 圖4-48 Si35H11(OH)25的DOS分布圖 116 圖4-49 Si35H6(OH)30的DOS分布圖 117 圖4-50 Si35H(OH)35的DOS分布圖 117 圖4-51 Si35H35(OH)的分子軌域圖 118 圖4-52 Si35H31(OH)5的分子軌域圖 118 圖4-53 Si35H26(OH)10的分子軌域圖 119 圖4-54 Si35H21(OH)15的分子軌域圖 119 圖4-55 Si35H16(OH)20的分子軌域圖 120 圖4-56 Si35H11(OH)25的分子軌域圖 120 圖4-57 Si35H6(OH)30的分子軌域圖 121 圖4-58 Si35H(OH)35的分子軌域圖 121 圖4-59 以SIESTA計算NH2部分取代的能階與能隙圖 124 圖4-60 以B3LYP//SIESTA計算NH2部分取代的能階與能隙圖 125 圖4-61 Si35H35(NH2)的DOS分布圖 125 圖4-62 Si35H31(NH2)5的DOS分布圖 126 圖4-63 Si35H26(NH2)10的DOS分布圖 126 圖4-64 Si35H21(NH2)15的DOS分布圖 126 圖4-65 Si35H16(NH2)20的DOS分布圖 127 圖4-66 Si35H11(NH2)25的DOS分布圖 127 圖4-67 Si35H6(NH2)30的DOS分布圖 127 圖4-68 Si35H(NH2)35的DOS分布圖 128 圖4-69 Si35H35(NH2)的分子軌域圖 128 圖4-70 Si35H31(NH2)5的分子軌域圖 129 圖4-71 Si35H26(NH2)10的分子軌域圖 129 圖4-72 Si35H21(NH2)15的分子軌域圖 130 圖4-73 Si35H16(NH2)20的分子軌域圖 130 圖4-74 Si35H11(NH2)25的分子軌域圖 131 圖4-75 Si35H6(NH2)30的分子軌域圖 131 圖4-76 Si35H(NH2)35的分子軌域圖 132 圖4-77 以SIESTA計算SH部分取代的能階與能隙圖 134 圖4-78 以B3LYP//SIESTA計算SH部分取代的能階與能隙圖 135 圖4-79 Si35H35(SH)的DOS分布圖 136 圖5-80 Si35H31(SH)5的DOS分布圖 136 圖4-81 Si35H26(SH)10的DOS分布圖 136 圖4-82 Si35H21(SH)15的DOS分布圖 137 圖4-83 Si35H16(SH)20的DOS分布圖 137 圖4-84 Si35H11(SH)25的DOS分布圖 137 圖4-85 Si35H6(SH)30的DOS分布圖 138 圖4-86 Si35H(SH)35的DOS分布圖 138 圖4-87 Si35H35(SH)的分子軌域圖 139 圖4-88 Si35H31(SH)5的分子軌域圖 139 圖4-89 Si35H26(SH)10的分子軌域圖 140 圖4-90 Si35H21(SH)15的分子軌域圖 140 圖4-91 Si35H16(SH)20的分子軌域圖 141 圖4-92 Si35H11(SH)25的分子軌域圖 141 圖4-93 Si35H6(SH)30的分子軌域圖 142 圖4-94 Si35H(SH)35的分子軌域圖 142 圖4-95 Si17H35-C2H2- Si17H35結構圖 144 圖4-96 Si29H35- C2H2- Si29H35結構圖 144 圖4-97 Si35H35- C2H2- Si35H35結構圖 144 圖4-98 以B3LYP//SIESTA計算trans連接的雙矽團簇的能階與能隙 145 圖4-99 以B3LYP//SIESTA計算cis連接的雙矽團簇的能階與能隙圖 146 圖5-1 五種取代基部分取代的HOMO比較圖 148 圖5-2 五種取代基部分取代的LUMO比較圖 148 圖5-3 五種取代基部分取代的能隙比較圖 149 |
參考文獻 |
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