عنوان :
مطالعه نظري خواص الكتروني، طيفي، اپتيك غير خطي و جدايش الكترون-حفره در نقاط كوانتومي دوبعدي M3X4 (M = C, Si, Ge; X = N, P, As) و ساختارهاي g-C2N4Si و g-C2N4Ge عاملدارشده
توصيفگر ها :
نقاط كوانتمي , جداسازي الكترون-حفره , شكاف باند , فتوكاتاليست , g-C3N4
چكيده فارسي :
در اين پاياننامه به مطالعه نظري فعاليت فتوكاتاليستي و خواص اپتيك غيرخطي (NLO) نقاط كوانتومي دوبعدي تكلايه با استفاده از روشهاي محاسباتي مبتني بر نظريه تابعي چگالي (DFT) پرداخته شده است. پژوهش در دو بخش اصلي انجام شده است. در بخش اول، نقاط كوانتومي جديدي شامل C₃P₄، C₃As₄، Ge₃N₄، Ge₃P₄، Ge₃As₄، Si₃N₄،Si₃P₄ و Si₃As₄، الهامگرفته از ساختار g-C₃N₄، معرفي و بررسي شدند. نتايج نشان داد كه اين نقاط كوانتومي داراي شكاف باند مناسب (در محدوده نور مرئي)، جذب نوري بهبوديافته و جداسازي مؤثر الكترون-حفره هستند كه آنها را براي كاربردهاي فتوكاتاليستي مانند شكافت آب و كاهش CO₂ مناسب ميسازد. بهويژه، نقاط كوانتومي Ge₃P₄ و Si₃N₄ عملكرد برتري در جداسازي بار و جذب نور مرئي نسبت به g-C₃N₄ نشان دادند. همچنين، محاسبات قطبشپذيري (α₀) و ابرقطبشپذيري (β₀) حاكي از خواص NLO بهبوديافته در اين ساختارها نسبت به g-C3N4 بود. در بخش دوم، تأثير دوپكردن سيليكون (Si) و ژرمانيوم (Ge) به همراه گروههاي عاملي( -OH، -COOH، -F، -NH₂، -SH، -SCH₃،-Cl) بر خواص نقاط كوانتومي g-C₃N₄ بررسي شد. نتايج نشان داد كه دوپكردن در موقعيت مياني (M) نسبت به موقعيت سهگوش (T) در g-C3N4 باعث كاهش بيشتر شكاف باند تا كمتر از eV 3 و افزايش جذب نور مرئي شد. لازم به ذكر است كه اين كاهش شكاف باند براي g-C3N4 هاي دوپشده با Si همراه با گروههاي عاملي SH، SCH3 و COOH محسوستر بوده است. دوپكردن با Ge و Si، بهويژه در موقعيت مياني، جداسازي الكترون-حفره را بهطور قابلتوجهي بهبود بخشيد، بهطوريكه شاخص طول انتقال بار (D) تا Å 59/5 بواسطه دوپ Si در حضور گروه عاملي SH در موقعيت مياني افزايش يافت، شاخص t در حضور همزمان گروه عاملي -SCH3 و دوپ Si در موقعيت مياني تا Å 99/3 افزايش يافت و شاخص Sr همپوشاني الكترون حفره به حداقل a.u. 11/0 در حضور همزمان Si و گروه عاملي COOH در موقعيت مياني رسيد، كه نشاندهنده كاهش بازتركيب الكترون-حفره و افزايش كارايي فتوكاتاليستي است. تحليل طيفهاي جذبي نيز تأييد كرد كه اين ساختارها داراي جذب نوري بهبوديافته نسبت به g-C3N4 هستند. اين پژوهش پتانسيل بالاي نقاط كوانتومي پيشنهادي و اصلاحشده را براي كاربردهاي فتوكاتاليستي فراهم آورد.
چكيده انگليسي :
This thesis theoretically investigates the photocatalytic activity and nonlinear optical (NLO) properties of two-dimensional (2D) monolayer quantum dots using computational methods based on Density Functional Theory (DFT). The research is divided into two main sections. In the first section, novel quantum dots, including C₃P₄, C₃As₄, Ge₃N₄, Ge₃P₄, Ge₃As₄, Si₃N₄, Si₃P₄, and Si₃As₄, inspired by the g-C₃N₄ structure, were introduced and studied. The results demonstrated that these quantum dots possess suitable band gaps (within the visible light range), enhanced optical absorption, and efficient electron-hole separation, making them suitable for photocatalytic applications such as water splitting and CO₂ reduction. Notably, Ge₃P₄ and Si₃N₄ quantum dots exhibited superior charge separation and visible light absorption compared to g-C₃N₄. Additionally, calculations of polarizability (α₀) and hyperpolarizability (β₀) indicated improved NLO properties in these structures compared to g-C₃N₄. In the second section, the effects of doping with silicon (Si) and germanium (Ge), along with various functional groups (-OH, -COOH, -F, -NH₂, -SH, -SCH₃, -Cl), on the properties of g-C₃N₄-based quantum dots were investigated. The results showed that doping at the middle (M) position, compared to the triangular (T) position, in g-C₃N₄ led to a more significant reduction in the band gap to below 3 eV and enhanced visible light absorption. This band gap reduction was particularly pronounced in Si-doped g-C₃N₄ with -SH, -SCH₃, and -COOH functional groups. Doping with Ge and Si, especially at the middle position, significantly improved electron-hole separation. Specifically, the charge transfer length index (D) increased to 5.59 Å with Si doping in the presence of the -SH functional group at the middle position. The t index rose to 3.99 Å with simultaneous Si doping and the -SCH₃ functional group at the middle position, and the electron-hole overlap index (Sr) reached a minimum of 0.11 a.u. with simultaneous Si doping and the -COOH functional group at the middle position, indicating reduced electron-hole recombination and enhanced photocatalytic efficiency. Analysis of absorption spectra further confirmed that these structures exhibit improved optical absorption compared to g-C₃N₄. This research highlights the high potential of the proposed and modified quantum dots for photocatalytic applications.