1. На главную
  2. Электронные версии
  3. Неорганические материалы
  4. T. 59, № 12, 2023

Неорганические материалы, 2023, T. 59, № 12, стр. 1359-1364

Зависимость ширины запрещенной зоны нанооксидов актинидов от их характерного размера и морфологии

А. П. Чернышев 1, 2, *

1 Институт химии твердого тела и механохимии СО Российской академии наук
630090 Новосибирск, ул. Кутателадзе, 18, Россия

2 Новосибирский государственный технический университет
630073 Новосибирск, пр. К. Маркса, 20, Россия

* E-mail: alfred.chernyshev@solid.nsc.ru

Поступила в редакцию 02.07.2023
После доработки 31.10.2023
Принята к публикации 02.11.2023

Аннотация

Нанотермодинамическим методом получены количественные зависимости ширины запрещенной зоны наночастиц, нановолокон (нанопроволок) и тонких пленок диоксидов актинидов AmO2, CmO2, NpO2, PaO2, PuO2, ThO2 и UO2 от их характерного размера. Размерный эффект становится существенным для наночастиц, нановолокон и тонких пленок ThO2, наночастиц и нановолокон NpO2, PuO2 и CmO2 уже при их характерном размере около 20 нм. Для наночастиц AmO2, PaO2 и UO2 размерный эффект становится существенным, если их диаметр составляет около 7–8 нм. Показано, что максимально достижимая ширина запрещенной зоны нанообъекта равна удвоенному значению ширины запрещенной зоны соответствующего макроскопического образца. Установлено, что ширина запрещенной зоны нанообъектов с одинаковым характерным размером уменьшается в последовательности: наночастицы → нановолокна (нанопроволоки) → тонкие пленки. Показано, что, используя смешанные оксиды актинидов и изменяя их стехиометрию, характерный размер и морфологию, можно регулировать ширину запрещенной зоны нанообъектов в широком диапазоне допустимых значений.

Ключевые слова: наночастицы, нанопроволоки, тонкие пленки, энергия когезии, нанооксиды актинидов, морфология нанообъектов, ширина запрещенной зоны, нанотермодинамическая модель

Список литературы

  1. Leduc J., Frank M., Jürgensen L., Graf D., Raauf A., Mathur S. Chemistry of Actinide Centres in Heterogeneous Catalytic Transformations of Small Molecules // ACS Catal. 2019. V. 9. P. 4719−4741. https://doi.org/10.1021/acscatal.8b04924

  2. Ghosh P.S., Arya A. Structural, Thermodynamic, Electronic and Elastic Properties of Th1–xUxO2 and Th1–xPuxO2 Mixed Oxides // Phys. Chem. Chem. Phys. 2020. V. 22. P. 6406–6417. https://doi.org/10.1039/d0cp00220h

  3. Старухин А.Н., Нельсон Д.К., Курдюков Д.А., Стовпяга Е.Ю. Поляризованная люминесценция наноточек MoS2 // ФТТ. 2021. № 12. С. 2192–2197.

  4. Nanda K.K. On the Paradoxical Relation between the Melting Temperature and Forbidden Energy Gap of Nanoparticles // J. Chem. Phys. 2010. V. 133. P. 054502 (4). https://doi.org/10.1063/1.3466920

  5. Guisbiers G. Advances in Thermodynamic Modelling of Nanoparticles // Adv. Phys. 2019. V. 4. № 1. P. 1668299 (21). https://doi.org/10.1080/23746149.2019.1668299

  6. Jiang Q., Wen Z. Thermodynamics of Materials. Beijing: Higher Education, 2011. 317 p. https://doi.org/10.1007/978-3-642-14718

  7. Neilson W.D., Pegg J.T., Steele H., Murphy S.T. The Defect Chemistry of Non-Stoichiometric PuO2±x // Phys. Chem. Chem. Phys. 2021. V. 23. P. 4544–4554. https://doi.org/10.1039/d0cp06497a

  8. Van Vechten J.A., Wautelet M. Variation of Semiconductor Band Gaps with Lattice Temperature and with Carrier Temperature when These are not Equal // Phys. Rev. B. 1981. V. 23. № 10. P. 5543–5550. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.23.5543

  9. Yang C.C., Mai Y.-W. Thermodynamics at the Nanoscale: A New Approach to the Investigation of Unique Physicochemical Properties of Nanomaterials // Mater. Sci. Eng. R. 2014. V. 79. P. 1–40. https://doi.org/10.1016/j.mser.2014.02.001

  10. Карпов И.В., Ушаков А.В., Федоров Л.Ю., Гончарова Е.А., Брунгардт М.В. Исследование параметров вакуумно-дугового осаждения и их влияния на структурные и оптические свойства наночастиц NiO // Неорган. материалы. 2022. Т. 58. № 8. С. 822–828.

  11. Guéneau C., Chartier A., Fossati P., Van Brutzel L., Martin P. 7.03-Thermodynamic and Thermophysical Properties of the Actinide Oxides in Comprehensive Nuclear Materials. V. 7. 2nd ed. Amsterdam: Elsevier, 2020. P. 111–154. https://doi.org/10.1016/B978-0-12-803581-8.11786-2

  12. Wen X.-D., Martin R.L., Roy L.E., Scuseria G.E., Rudin S.P., Batista E.R., McCleskey T.M., Scott B.L., Bauer E., Joyce J.J., Durakiewicz T. Effect of Spin-Orbit Coupling on the Actinide Dioxides AnO2 (An=Th, Pa, U, Np, Pu, and Am): a Screened Hybrid Density Functional Study // J. Chem. Phys. 2012. V. 137. P. 154707 (8). https://doi.org/10.1063/1.4757615

  13. Noé M., Fuger J. Self-Radiation Effects on the Lattice Parameter of 244CmO2 // Inorg. Nucl. Chem. Lett. 1971. V. 7. № 5. P. 421–430.

  14. Mock A., Dugan C., Knight S., Korlacki R., Mann J.M., Kimani M.M., Petrosky J.C., Dowben P.A., Schubert M. Band-to-Band Transitions and Critical Points in the Near-Infrared to Vacuum Ultraviolet Dielectric Functions of Single Crystal Urania and Thoria // Appl. Phys. Lett. 2019. V. 114. P. 211901 (6).

  15. Pegg J.T., Aparicio-Anglès X., Storr M., de Leeuw N.H. DFT-U Study of the Structures and Properties of the Actinide Dioxides // J. Nucl. Mater. 2017. V. 492. P. 269–280. https://doi.org/10.1016/j.jnucmat.2017.05.025

  16. Fink J.K. Thermophysical Properties of Uranium Dioxide // J. Nucl. Mater. 2000. V. 279. P. 1–18. https://doi.org/10.1016/S0022-3115(99)00273-1

  17. Turner D.B., Kelly T.D., Peterson G.R., Reding J.D., Hengehold R.L., Mann J.M., Kolis J.W., Zhang X., Dowben P.A., Petrosky J.C. Electronic Structure of Hydrothermally Synthesized Single Crystal U0.22Th0.78O2 // Phys. Status Solidi B. 2016. V. 253. P. 1970–1976. https://doi.org/10.1002/pssb.201600277

  18. Liu B., Aidhy D.S., Zhang Y., Weber W.J. Theoretical Investigation of Thermodynamic Stability and Mobility of the Oxygen Vacancy in ThO2–UO2 Solid Solutions // Phys. Chem. Chem. Phys. 2014. V. 16. P. 25461 (7). https://doi.org/10.1039/c4cp03660c

Дополнительные материалы отсутствуют.

Инструменты

следующая статья выпуска предыдущая статья выпуска содержание выпуска

Неорганические материалы

Архивы выпусков Информация о журнале Отправить рукопись в журнал