Study of the Effect of Selenium Doping on the Geometries and Electronic Characteristics of Germanium Clusters (SeGen, n = 1-20) Using DFT Calculations

Abstract

Систематичне теоретичне дослідження на основі обчислення геометричних структур, стійкості та електронних характеристик системи (кластери SeGen, n = 1-20) було представлено в рамках теорії функціоналу густини (DFT) і реалізовано в коді моделювання SIESTA. Всі отримані ізомери в основному стані мають тривимірні структури. Великі кластери SeGen розміром n ≥ 16 демонструють більшу енергію зв'язку. Аналогічно, отримані результати різниці енергій Δ2E другого порядку показують, що позитивні максимальні піки при n = 2, 4, 8, 11, 14, 17 та 19 мають деяку стабільність. Це означає, що вони мають більшу стабільність, ніж їх сусіди. Результати розрахунків електронних властивостей, таких як зона HOMO-LUMO (найвища зайнята молекулярна орбіталь-найнижча незайнята молекулярна орбіталь), вертикальний потенціал іонізації (VIP) та вертикальна спорідненість до електронів (VEA), виявляють, що димер SeGe1 є більш стабільним, ніж сусідні кластери. З іншого боку, згідно з аналізом зон HOMO-LUMO, можна зробити висновок, що кластери SeGe2, 4, 6, 9, 11, 13, 17 мають менші значення зон HOMO-LUMO, ніж відповідні кластери чистого германію, що свідчить про те, що заміщення одного атома Ge одним атомом Se підвищує хімічну реакційну здатність германієвих кластерів-хазяїв і, отже, збільшує металевий характер відповідних кластерів. Результати цього дослідження дуже важливі, оскільки вони відкривають гарні перспективи для використання цих кластерів-кандидатів у додатках нанотехнологій та наноелектроніки.

A theoretical systematic investigation based on the calculating geometrical structures, stability, and electronic characteristics of the system (SeGen clusters, n = 1-20) was presented within the framework of density-functional theory (DFT) as implemented in the SIESTA simulation code. All the ground-state isomers obtained have 3D structures. Big SeGen clusters of size n ≥ 16 exhibit higher binding energy. Likewise, the obtained second-order energy difference Δ2E results show that the positive maximum peaks at n = 2, 4, 8, 11, 14, 17, and 19 have private stability. This signifies that they have a greater stability character than their neighbors. The results of calculations of electronic properties such as highest occupied molecular orbital-lowest unoccupied molecular orbital (HOMO-LUMO) gap, vertical ionization potential (VIP) and vertical electron affinity (VEA) reveal that the SeGe1 dimer is more stable than neighboring clusters. On the other hand, according to the HOMO-LUMO gaps analysis, we conclude that the SeGe2, 4, 6, 9, 11, 13, 17 clusters have lower HOMO-LUMO gap values than the corresponding pure germanium clusters, suggesting that the substitution of one Ge atom by a Se one enhances the chemical reactivity of the host germanium clusters, and thus increases the metallic character of relevant clusters. The results of this study are very important as they open us with good perspectives for the use of these candidate clusters in applications of nanotechnology and nanoelectronics.