Структурные и оптические свойства графитоподобного нитрида углерода : магистерская диссертация

Abstract

В работе проведено исследование структурных, оптических и электронных свойств графитоподобного нитрида углерода (g-C3N4), синтезированных методом пиролиза мочевины при температурах 450–600°С. Метод функционала плотности использован для подтверждения выводов, основанных на экспериментальных данных. Был выполнен анализ литературных данных по g-C3N4, были рассмотрены структурные особенности получаемого материала и их оптическое поглощение. Также приведено описание используемых экспериментальных методов и математическое описание используемого метода моделирования – теории функционала плотности. Структура синтезированных образцов g-C3N4 определена по спектрам рентгеновской дифракции и ИК поглощения. Оптическое поглощение образцов исследованы по спектрам диффузного отражения, преобразованным в соответствии с теорией Кубелки-Мунка, оценка ширины энергетической щели для прямых и непрямых оптических переходов проводилась по методу Тауца. Была установлена линейная зависимость параметров кристаллической решетки и ширины щели от температуры синтеза. Для подтверждения экспериментальных результатов было проведено моделирование возможных структур g-C3N4 методом функционала плотности в пакете Quantum ESPRESSO. Была проведена оптимизация положений атомов для различных модельных структур, рассчитаны ИК спектры и зонные структуры электронных состояний.

In this work we investigated structural, optical and electrical properties of graphitic carbon nitride (g-C3N4) synthesized by thermal treatment of urea at 450– 600°C. Density functional theory calculations were performed to support suggestions based on experimental data. Available research data for g-C3N4 was studied, with interest in structural and absorption properties of the material. Additionally, the experimental methods and theory behind DFT-calculations were described. We determined the structure of g-C3N4 samples based on XRD and IR spectra. Optical absorption was investigated using diffuse reflectance spectra transformed with Kubelka-Munk function. Energy band gap was evaluated with Tauc plot for direct and indirect optical transitions. We show that crystal lattice parameters and band gap linearly depend on the synthesis temperature. To further prove our assumptions based on experimental data we also performed DFT-calculations for g-C3N4 in Quantum ESPRESSO software package. We calculated IR spectra and electronic band structures for models of each sample.