بررسی محاسبات نظری خواص شیمیایی، الکترونی و بیناب نمایی نانوخوشه های (ZnS)n (n≤4)

نوع مقاله : مقاله پژوهشی کامل

نویسندگان

1 گروه فیزیک، دانشکده علوم پایه، دانشگاه تربیت دبیر شهید رجایی، تهران، ایران

2 گروه فیزیک، دانشکده علوم پایه، دانشگاه تربیت مدرس، تهران، ایران

چکیده

در این تحقیق، پایداری ساختار و خواص الکترونی و طیف‌سنجی نانوخوشه های سولفیدروی تا چهار اتم با نظریة تابعی چگالی و هارتری-فاک با روش B3LYP در پایه 6-311++G(d,p) مورد مطالعه قرار گرفته است. ساختارهای پایدار این نانوخوشه ها با برنامه گوسین09، انرژی بستگی، شکاف انرژی و طیف مادون قرمز نانوخوشه ها به‌طور کامل بهینه شده‌اند. فرکانسهای ارتعاشی، شدتهای طیف‌های هومو-لومو، تقارن و گشتاور دوقطبی برای پایدارترین ایزومر هر نانوخوشه، به‌دست آمده‌اند. علاوه بر این، تجزیه و تحلیل اوربیتال پیوند طبیعی برای بدست آوردن بینش دقیق‌تری در مورد ماهیت این برهمکنش‌ها به کار برده شد. توصیفگرهای واکنش‌پذیری مانند الکترونگاتیوی، برای مطالعه پایداری نسبی نانوخوشه ها تخمین زده شد. در بین ساختار نانوخوشه ها، بیشترین و کمترین میانگین طول پیوند Zn-S به‌ترتیب مربوط به Zn2S2 و Zn1S1 است. از نظر پایداری Zn4S4 از پایدار ترین آنهاست (ناشی از تنش زنجیرهای غیرخطی Zn-S تضعیف شده). از لحاظ گشتاور دوقطبی، نانوخوشه های Zn1S1 و Zn3S3 در روش هارتری-فاک گشتاور دوقطبی بزرگتری دارند. همچنین با افزایش تعداد اتم‌ها در نانوخوشه ها قطبش‌پذیری زیادتر شده و در مقایسه دو روش هارتری- فاک و تابعی چگالی در یک ساختار معین، قطبش پذیری مولکول‌ها در تابعی چگالی بیشتر است.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Computational and theoretical study of electronic, spectroscopic and chemical properties of (ZnS)n (n≤4) nanoclusters

نویسندگان [English]

  • Marzieh Nadafan 1
  • ehsan talebian 2
  • Maryam Tofangsaz Rahimi 1
  • Javid Zamir Anvari 1
1 Department of Physics, Faculty of Science, Shahid Rajaee Teacher Training University, Tehran, Iran
2 Department of Physics, Faculty of Science, Tarbiat Modares University, Tehran, Iran
چکیده [English]

In this article, structural stability, electronic and spectroscopic properties of zinc sulfide nanoclusters up to four atoms are studied by Density Functional Theory (DFT/B3LYP) and Hartree-Fock computational level using 6-311++G(d,p) basis set. The stable structures of these nanoclusters have been fully optimized with Gaussian 09, binding energy, energy gap, and FTIR spectra. The vibrational frequencies, Homo–Lumo energy gap, symmetry, and dipole moment are also computed for the most stable isomer of each cluster. Furthermore, NBO analysis was used for deep understanding of these interactions. The reactivity descriptors such as electronegativity are estimated for these nanoclusters to study their relative stabilities. Among nanocluster structures, the highest and lowest average binding length are related to Zn2S2 and Zn1S1, respectively. About stability of investigated structure, Zn4S4 was more stable than others (because stress of nonlinear Zn-S chains is attenuated). Both Zn1S1 and Zn3S3 nanocluster structures have a bigger dipole moment in the Hartree-Fock method. Also, increasing the number of atoms in nanoclusters has increased polarization and in the comparison, Hartree-Fock and DFT in the specimen structures, the polarization of molecules in DFT are larger rather Hartree-Fock.
 

کلیدواژه‌ها [English]

  • Gaussian 09
  • Density function theory
  • Hartree-Fock
  • nanocluster (ZnS)n (n≤4)
  • Optimization
[1] C.E. Szakacs, E.F. Merschrod S., K.M. Poduska, Structural Features That Stabilize ZnO Clusters: An Electronic Structure Approach, Computation 1 (2013) 16-26.
[2] H. Said, S. Cristol, C. Richard, A. Catlow, Surface structures and crystal morphology of ZnS: Computational study, The Journal of Physical Chemistry B 106 (2002) 11002-11008.
[3] G.Z. Shen, Y. Bando, J.Q. Hu, D. Golberg, High-symmetry ZnS hepta-and tetrapods composed of assembled ZnS nanowire arrays, Applied Physics Letters 90 (2007) 123101.
[4] D.L. Lalsare, A. Kshirsagar, First principles results of structural andelectronic properties of ZnS clusters, Bulletin of Materials Science 35 (2012) 1055-1062.
[5] A. Zaba, S. Sovinska, W. Kasprzyk, D. Bogdal, K. Matras-Postolek, Zinc sulphide (ZNS) nanparticles for advanced application, Technical Transactions 1 (2016) 125-134.
[6] H.O. Pritchard, H.A. Skinner, The Concept Of Electronegativity, Chemical Review 55 (1955) 745-786.
[7] R. Habibpour Gharacheh, R. Vaziri, Computational and theoretical study of electronic, spectroscopic and chemical properties of (ZnO)n (n≤4) nanoclusters, Journal of Research on Many-body Systems 6 (2016) 11-20.
[8] M. Kumar, R. Trivedi, M. Tallapragada, A. Branton, D. Trivedi, O. Latiyal, S. Jana, Influence of Biofield Treatment on Physical and Structural Characteristicsof Barium Oxide and Zinc Sulfide, Journal of Lasers, Optics & Photonics 2 (2015) 122:1-7.
[9] N. Salem, M. Luma, S. Albanna, A.M. Awwad, Nano-Structured ZINC of Sulfide To Enhance Cucumis Sativus (Cucumber) Plant Growth, ARPN Journal of Agricultural and Biological Science 12 (2017) 167-173.
[10] K. Hedayati, A. Zendehnam, F. Hassanpour, Fabrication and Characterization of Zinc Sulfide Nanoparticles and Nanocomposites Prepared via a Simple Chemical Precipitation Method, Journal of Nanostructures 6 (2016) 207-212.
[11] G. Murugadoss, M. Rajesh Kumar, Synthesis and optical properties of monodispersed Ni2+-doped ZnS nanoparticles, Applied Nanoscienc 4 (2014) 67–75.
[12] M. Sheikhi, S. Shahab, Quantum Chemical Modeling of 1-(1, 3-Benzothiazol-2-yl)-3-(thiophene-5-carbonyl) thiourea: Molecular structure, NMR, FMO, MEP and NBO analysis based on DFT calculations, Journal of Physical and Theoretical Chemistry 13 (2016) 277-288.
[13] P. Ranjan, T. Chakraborty, A. Kumar, Density functional study of structures, stabilities and electronic properties of AgAunλ(λ=0;±1;n=1-12) clusters: comparison with pure gold clusters, Materials Science-Poland 38 (2020) 97-107.
[14] P.S. Yadav, D.K. Pandey, S. Agrawal, B.K. Agrawal, Structural, Electronic, and OpticalProperties of ZnxSy (x+ y = 2 TO 4)Nanoclusters: A B3LYP-DFT Study, International Journal of Nanoscience 10 (2011) 341-344.