First-principles calculations of the stability, electronic and phonon properties of monolayers and nanotubes based on gallium(II) monochalcogenides

Abstract

Халькогениды галлия (II) вызывают большой интерес ввиду большого разнообразия структурных модификаций и анизотропии структурных, электронных и оптических свойств. Полезные свойства таких соединений могут быть улучшены при переходе к наносистемам. К настоящему моменту получены нанолисты, наностержни, фуллереноподобные структуры и многостенные нанотрубки на основе GaS и GaSe. Однако, возможность синтеза одностенных нанотрубок халькогенидов галлия (II) до сих пор не исследована. Целью настоящей дипломной работы является оценка возможности синтеза нанотрубок, полученных сворачиванием монослоёв халькогенидов галлия, а также теоретическое изучение физико-химических свойств этих объектов. В ходе исследования предложена расчётная схема, которая с высокой точностью воспроизводит структурные свойства объёмных кристаллов GaS и GaSe, а также верно передаёт значение ширины запрещённой зоны и характер электронного перехода в этих кристаллах. Предложенная методика успешно использована для неэмпирических расчётов устойчивости, электронных и фононных свойств одностенных нанотрубок халькогенидов галлия (II). Результаты расчётов энергий сворачивания и фононных частот подтверждают принципиальную возможность создания нанотрубок GaS и GaSe. Установлен критерий для экспериментальной идентификации монослоёв и нанотрубок по количеству сигналов в инфракрасных спектрах и спектрах комбинационного рассеяния.

Gallium (II) chalcogenides are of great interest due to the wide variety of structural modifications and to the anisotropy of structural, electronic and optical properties. The beneficial properties of such compounds can be enhanced by the transition to nanosystems. Nanosheets, nanorods, fullerene-like structures and multi-walled nanotubes based on GaS and GaSe have been obtained to date. However, the possibility of synthesis of single-walled gallium (II) chalcogenides nanotubes has not yet been investigated. The goal of this work is to estimate the possibility of the synthesis of nanotubes by rolling up gallium (II) chalcogenide monolayers as well as a theoretical study of physicochemical properties of these objects. During the study, the computational scheme has been proposed which can reproduce the structural properties of the GaS and GaSe bulk phases with high accuracy and correctly estimate the band gap and the electron transition type in these crystals. The proposed technique has been successfully used for first-principles calculations of the stability, electronic and phonon properties of single-walled gallium (II) chalcogenides nanotubes. The results of the calculation of the strain energies and phonon frequencies verify the general possibility of GaS and GaSe nanotubes formation. A criterion is suggested for the experimental identification of monolayers and nanotubes by the number of signals in the infrared and Raman spectra.