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

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

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.

About the authors

Институт химии твердого тела и механохимии СО Российской академии наук; Новосибирский государственный технический университет

Author for correspondence.
Email: alfred.chernyshev@solid.nsc.ru
Россия, 630090, Новосибирск, ул. Кутателадзе, 18; Россия, 630073 , Новосибирск, пр. К. Маркса, 20

References

  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

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2.

Download (391KB)
Indexing metadata
3.

Download (68KB)
Indexing metadata
4.

Download (63KB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2023 А.П. Чернышев

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».