Calculation of the ionization potential of zinc and graphene phthalocyaninates on the surface of dielectrics

Authors

  • Dmitry Yu. Kuranov St. Petersburg State University, 199034, St. Petersburg, Russian Federation
  • Tatiana A. Andreeva St. Petersburg State University, 199034, St. Petersburg, Russian Federation
  • Marina E. Bedrina St. Petersburg State University, 199034, St. Petersburg, Russian Federation

DOI:

https://doi.org/10.21638/11701/spbu10.2022.104

Abstract

A mathematical model is proposed for calculating the ionization potentials of molecules on the surface of dielectrics in order to quantify changes in the electronic characteristics of materials on a substrate. The semiconductor and photoelectronic properties of nanosystems based on phthalocyanine derivatives are determined by the electronic structure of molecules. Based on the zinc phthalocyaninate molecule ZnC32N8H16, model structures are constructed that increase this molecule by attaching benzene rings ZnC48N8H24, ZnC64N8H32 and a model simulating the film structure of Zn4C120N32H48. Graphene was considered as a nanostructure modeling a fragment of a monomer lm. The ionization potentials of these compounds on the surface of magnesium oxide, sodium chloride and silicon are calculated. In the presence of a substrate, the ionization potentials of all nanostructures decrease, while the values of the surface ionization potentials remain fundamentally dierent in their magnitude for all compounds. The compound ZnC64N8H32 sprayed onto the surface exhibits the best photoelectronic properties, its surface ionization potential is comparable to graphene.

Keywords:

phthalocyanine zinc, graphene, structure, dielectric surface, ionization potential

Downloads

Download data is not yet available.
 

References

Литература

Egorov N. V., Vinogradova E. M. Mathematical modeling of triode system on the basis of field emitter with ellipsoid shape // Вестник Санкт-Петербургского университета. Прикладная математика. Информатика. Процессы управления. 2021. Т. 17. Вып. 2. С. 131–136. https://doi.org/10.21638/11701/spbu10.2021.203 2. Симон Ж., Андре Ж. Ж. Молекулярные полупроводники. Фотоэлектрические свойства и солнечные элементы М.: Мир, 1988. 342 с. ( Simon J., Andre J.-J. Molecular semiconductors: photoelectrical properties and solar cells).

Xie D., Pan W., Jiang Y. D., Li Y. R. Erbium bis[phthalocyaninato] complex LB film gas sensor // Materials Letters. 2003. Vol. 57. Iss. 16–17. P. 2395–2398.

Dini D., Hanack M. Physical properties of phthalocyanine-based materials // The porphyrin handbook / eds. by K. M. Kadish, K. M. Smith, R. Guilard. Netherlands: Elsevier Science, 2003. Vol. 17. Ch. 107. P. 1–36.

Dini D., Calvete M. J. F., Hanack M. Nonlinear optical materials for the smart filtering of optical radiation // Chem. Rev. 2016. Vol. 116. Iss. 22. P. 13043–13233.

Mroz P., Tegos G., Gali H. Photodynamic therapy with fullerenes // Photochemical & Photobiological Sciences. 2007. Vol. 6. Iss. 11. P. 1139–1149.

Yourre T. A., Rudaya L. I., Klimova N. V. Polymers, phosphors, and voltaics for radioisotope microbatteries. Boca Raton: CRC Press, 2002. 504 p.

Wohrle D., Schnurpfeil G., Makarov S. G., Kazarin A., Suvorova O. N. Practical applications of phthalocyanines — from dyes and pigments to materials for optical, electronic and photo-electronic devices // Macroheterocycles. 2012. Vol. 5. Iss. 3. P. 191–202.

Кручинин В. Н., Клямер Д. Д., Спесивцев Е. В., Рыхлицкий С. В., Басова Т. В. Оптические свойства тонких пленок фталоцианинов цинка по данным спектральной эллипсометрии // Оптика и спектроскопия. 2018. Т. 125. № 6. C. 825–829.

Vol. 533. P. 2–6.

Семенов С. Г. Квантово-химическая модель молекулы в поляризующей среде // Журн. структ. химии. 2001. Т. 42. № 3. C. 582–586.

Куранов Д. Ю., Бедрина М. Е. Моделирование взаимодействия наноструктур с поверхностью // Нано- и микросистемная техника. 2019. Т. 21. № 2. C. 83–88.

Koch W., Holthausen M. A Chemist's guide to density functional theory. Ed. 2. Weinheim: Wiley-VCH, 2002. 293 p.

Бедрина М. Е., Егоров Н. В., Куранов Д. Ю., Семенов С. Г. Расчет фталоцианинатов цинка на высокопроизводительном вычислительном комплексе // Вестник Санкт-Петербургского университета. Прикладная математика. Информатика. Процессы управления. 2011. Т. 10. Вып. 3. C. 13–21.

Becke A. D. Density-functional thermochemistry. 3. The role of exact exchange // Thin Solid Films. 1993. Vol. 98. Iss. 7. P. 5648–5652.

Васильев А. А., Бедрина М. Е., Андреева Т. А. Зависимость результатов расчета по методу функционала электронной плотности от способа представления волновой функции // Вестник Санкт-Петербургского университета. Прикладная математика. Информатика. Процессы управления. 2018. Т. 14. Вып. 1. C. 51–58. https://doi.org/10.21638/11701/spbu10.2018.106

Андреева Т. А., Бедрина М. Е., Овсянников Д. А. Сравнительный анализ расчетных методов электронной спектроскопии // Вестник Санкт-Петербургского университета. Прикладная математика. Информатика. Процессы управления. 2019. Т. 15. Вып. 4. C. 518–528. https://doi.org/10.21638/11701/spbu10.2019.408

Frisch M. J., Trucks G. W., Schlegel H. B. et al. GAUSSIAN-09. Rev. C.01. Wallingford, CT: Gaussian Inc., 2010.

Novoselov K. S., Geim A. K., Morozov S. V., Jiang D., Zhang Y., Dubonos S. V., Grigorieva I. V., Firsov A. A. Electric field effect in atomically thin carbon films // Science. 2004. Vol. 306. Iss. 5696. P. 666–669.

Novoselov K. S., Geim A. K., Morozov S. V., Jiang D., Katsnelson M. I., Grigorieva I. V., Dubonos S. V., Firsov A. A. Two-dimensional gas of massless Dirac fermions in graphene // Nature. 2005. Vol. 438. Iss. 7065. P. 197–200.

Вилесов Ф. И., Загрубский А. А., Гарбузов Д. Е. Внешний фотоэффект с поверхности органических полупроводников // Физика твердого тела. 1963. Т. 5. № 7. C. 2000–2006.


References

Egorov N. V., Vinogradova E. M. Mathematical modeling of triode system on the basis of field emitter with ellipsoid shape. Vestnik of Saint Petersburg University. Applied Mathematics. Computer Science. Control Processes, 2021, vol. 17, iss. 2, pp. 131–136. https://doi.org/10.21638/11701/spbu10.2021.203

Simon J., Andre J.-J. Molecular Semiconductors: Photoelectrical Properties and solar cells. Eds. by J. M. Lehn, C. W. Rees. Reprint of the original 1st ed. 1985. Springer Publ., 2011, 306 p. (Rus. ed.: Simon Zh., Andre Zh. Zh. Molekuliarnye poluprovodniki. Fotoelektricheskie svoistva i solnechnye elementy. Moscow, Mir Publ., 1988, 342 p.).

Xie D., Pan W., Jiang Y. D., Li Y. R. Erbium bis[phthalocyaninato] complex LB film gas sensor. Materials Letters, 2003, vol. 57, iss. 16–17, pp. 2395–2398.

Dini D., Hanack M. Physical properties of phthalocyanine-based materials. The porphyrin handbook. Eds. by K. M. Kadish, K. M. Smith, R. Guilard. Netherlands, Elsevier Science Publ., 2003, vol. 17, ch. 107, pp. 1–36.

Dini D., Calvete M. J. F., Hanack M. Nonlinear optical materials for the smart filtering of optical radiation. textit Chem. Rev., 2016, vol. 116, iss. 22, pp. 13043–13233.

Mroz P., Tegos G., Gali H. Photodynamic therapy with fullerenes. Photochemical & Photobiological Sciences, 2007, vol. 6, iss. 11, pp. 1139–1149.

Yourre T. A., Rudaya L. I., Klimova N. V. Polymers, phosphors, and voltaics for radioisotope microbatteries. Boca Raton, CRC Press, 2002, 504 p.

Wohrle D., Schnurpfeil G., Makarov S. G., Kazarin A., Suvorova O. N. Practical applications of phthalocyanines — from dyes and pigments to materials for optical, electronic and photo-electronic devices. Macroheterocycles, 2012, vol. 5, iss. 3, pp. 191–202.

Kruchinin V. N., Klyamer D. D., Spesivcev E. V., Ryhlickij S. V., Basova T. V. Opticheskie svojstva tonkih plenok ftalocianinov cinka po dannym spektralnoj ellipsometrii [Optical properties of thin films of zinc phthalocyanines according to spectral ellipsometry]. Optika i spektroskopiia [Optics and spektroscopy], 2018, vol. 125, iss. 6, pp. 825–829. (In Russian)

Mirabito T., Huet B., Briseno A. L., Snyder D. W. Physical vapor deposition of zinc phthalocyanine nanostructures on oxidized silicon and graphene substrates. Journal of Crystal Growth, 2020, vol. 533, pp. 2–6.

Semenov S. G. Kvantovo-himicheskaya model molekuly v polyarizuyushchej srede [Quantum-chemical model of a molecule in a polarizing medium]. Zhurnal strukturnoj himii [Journal of Structural Chemistry], 2001, vol. 42, iss. 3, pp. 582–586. (In Russian)

Kuranov D. Yu., Bedrina M. E. Modelirovanie vzaimodejstviya nanostruktur s poverhnostyu [Modeling the interaction of nanostructures with a surface]. Nano- i mikrosistemnaya tekhnika [Nano- and microsystems technology], 2019, vol. 21, iss. 2, pp. 83–88. (In Russian)

Koch W., Holthausen M. A chemist's guide to density functional theory. Ed. 2. Weinheim, Wiley-VCH Press, 2002, 293 p.

Bedrina M. E., Egorov N. V., Kuranov D. Yu., Semenov S. G. Raschet ftalocianinatov cinka na vysokoproizvoditelnom vychislitelnom komplekse [Calculation metalphthalocyaninatozinc on the high-efficiency computer complex]. Vestnik of Saint Petersburg University. Series 10. Applied Mathematics. Computer Science. Control Processes, 2011, iss. 3, pp. 13–21. (In Russian)

Becke A. D. Density-functional thermochemistry. 3. The role of exact exchange. Thin Solid Films, 1993, vol. 98, iss. 7, pp. 5648–5652.

Vasiliev A. A., Bedrina M. E., Andreeva T. A. Zavisimost' rezul'tatov rascheta po metodu funktsionala elektronnoi plotnosti ot sposoba predstavleniia volnovoi funktsii [The dependence of calculation results on the density functional theory from the means of presenting the wave function]. Vestnik of Saint Petersburg University. Applied Mathematics. Computer Science. Control Processes, 2018, vol. 14, iss. 1, pp. 51–58. https://doi.org/10.21638/11701/spbu10.2018.106 (In Russian)

Andreeva T. A., Bedrina M. E., Ovsyannikov D. A. Sravnitel'nyi analiz raschetnykh metodov elektronnoi spektroskopii [Comparative analysis of calculation methods in electron spectroscopy]. Vestnik of Saint Petersburg University. Applied Mathematics. Computer Science. Control Processes, 2019, vol. 15, iss. 4, pp. 518–528. https://doi.org/10.21638/11701/spbu10.2019.408 (In Russian)

Frisch M. J., Trucks G. W., Schlegel H. B. et al. GAUSSIAN-09, Rev. C.01. Wallingford, CT, Gaussian Inc. Press, 2010.

Novoselov K. S., Geim A. K., Morozov S. V., Jiang D., Zhang Y., Dubonos S. V., Grigorieva I. V., Firsov A. A. Electric field effect in atomically thin carbon films. Science, 2004, vol. 306, iss. 5696, pp. 666–669.

Novoselov K. S., Geim A. K., Morozov S. V., Jiang D., Katsnelson M. I., Grigorieva I. V., Dubonos S. V., Firsov A. A. Two-dimensional gas of massless Dirac fermions in graphene. Nature, 2005, vol. 438, iss. 7065, pp. 197–200.

Vilesov F. I., Zagrubskij A. A., Garbuzov D. E. Vneshnij fotoeffekt s poverhnosti organicheskih poluprovodnikov [External photoelectric effect from the surface of organic semiconductors]. Fizika tverdogo tela [Physics of the Solid State], 1963, vol. 5, iss. 7, pp. 2000–2006. (In Russian)

Published

2022-06-02

How to Cite

Kuranov, D. Y., Andreeva, T. A., & Bedrina, M. E. (2022). Calculation of the ionization potential of zinc and graphene phthalocyaninates on the surface of dielectrics. Vestnik of Saint Petersburg University. Applied Mathematics. Computer Science. Control Processes, 18(1), 52–62. https://doi.org/10.21638/11701/spbu10.2022.104

Issue

Section

Applied Mathematics