Характеристики компонентів нанокластерної підсистеми гетеропереходів
A calculation and analysis of the characteristics of nanocluster (NC) subsystem components as structural elements for silicon electronics materials have been performed. Effective computational models were selected to evaluate the structural, energetic, and kinetic characteristics of NCs of various s...
Збережено в:
| Дата: | 2026 |
|---|---|
| Автори: | , , |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Українська |
| Опубліковано: |
PE "Politekhperiodika", Book and Journal Publishers
2026
|
| Теми: | |
| Онлайн доступ: | https://www.tkea.com.ua/index.php/journal/article/view/TKEA2026.1.09 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Technology and design in electronic equipment |
| Завантажити файл: |  |
Репозитарії
Technology and design in electronic equipment| _version_ | 1872552517676564480 |
|---|---|
| author | Kovalchuk, Volodymyr Korban, Dmytro Yakovenko, Maxim |
| author_facet | Kovalchuk, Volodymyr Korban, Dmytro Yakovenko, Maxim |
| author_institution_txt_mv | [
{
"author": "Volodymyr Kovalchuk",
"institution": "Odesa Technological University IT STEP, Ukraine"
},
{
"author": "Dmytro Korban",
"institution": "National University «Odesa Maritime Academy», Ukraine"
},
{
"author": "Maxim Yakovenko",
"institution": "South Ukrainian National Pedagogical University named after K. D. Ushynsky, Odesa, Ukraine"
}
] |
| author_sort | Kovalchuk, Volodymyr |
| baseUrl_str | https://www.tkea.com.ua/index.php/journal/oai |
| collection | OJS |
| datestamp_date | 2026-08-03T14:14:28Z |
| description | A calculation and analysis of the characteristics of nanocluster (NC) subsystem components as structural elements for silicon electronics materials have been performed. Effective computational models were selected to evaluate the structural, energetic, and kinetic characteristics of NCs of various sizes. To analyze geometric topology stability and electron density distribution, a physical model based on quantum-chemical methods and interatomic interaction potentials is proposed. Atomic structure optimization and electronic property analysis of silicon nanostructures revealed that chemical bond lengths increase during cationization and decrease during anionization. The influence of the matrix environment on nanocluster properties was analyzed. A phenomenon defined as the “switching” of interatomic chemical bonds within the nanocluster was identified. This effect yields practical optical capabilities that can be utilized to design color-sensitive semiconductor devices. |
| doi_str_mv | 10.15222/TKEA2026.1.09 |
| first_indexed | 2026-08-04T01:00:42Z |
| format | Article |
| fulltext |
Технологія та конструювання в електронній апаратурі, 2026, № 1 9ISSN 3083-6530 (Print)
ISSN 3083-6549 (Online)
9
НОВІ КОМПОНЕНТИ ДЛЯ ЕЛЕКТРОННОЇ АПАРАТУРИ
УДК 530.145+678.9
ХАРАКТЕРИСТИКИ КОМПОНЕНТІВ НАНОКЛАСТЕРНОЇ
ПІДСИСТЕМИ ГЕТЕРОПЕРЕХОДІВ
Попри швидкий розвиток альтернативних матеріа
лів кремній залишається основою сучасної електрон
ної елементної бази. Водночас розвиток нанотехно
логій демонструє, що нанокластери (НК) виявляють
унікальні властивості, відмінні від макрофази відпо
відної речовини [1] – [3]. Дослідження кремнієвих
НК, як ізольованих, так і у складі матриці, є критич
но важливим для підвищення швидкодії та інформа
ційної ємності напівпровідникових приладів на осно
ві квантоворозмірних ефектів. Нанокластери дозво
ляють ефективно керувати фізикохімічними харак
теристиками матричного оточення [4]. Стохастично
розподілені уздовж межі розділу в плівковому ге
теропереході, вони формують нанокластерну під
систему [5]. Такі гетероструктури є перспективни
ми об’єктами досліджень завдяки своїм унікальним
функціональним властивостям [6].
У методичному контексті для виявлення зв’язку
між атомним складом і внутрішньою структурою
кластеризованої речовини, а також властивостями її
складових — НК — можуть використовуватися тех
нології штучного інтелекту [7] – [8]. За допомогою
таких інструментів можна виявляти закономірності
під час обробки великих масивів експериментальних
даних (отриманих за допомогою атомної силової, ра
стрової електрон ної або просвічувальної мікроско
пії), а також інтерпретувати їх із застосуванням ана
літичних підходів і алгоритмів комп’ютерного мо
делювання. Результати аналізу, спрямованого на ви
мірювання розмірів НК, ідентифікацію кластерних
фаз, виявлення пор та інших характеристик напів
провідникових матеріалів, дають можливість спрог
нозувати довговічність приладів електронної техніки
та швидкість їх деградації в різних умовах, що є кри
Розраховано та проаналізовано характеристики нанокластерів як компонентів підсистеми матеріалів кремнієвої
електроніки. Підібрано ефективні моделі для оцінювання їхніх структурних, енергетичних і кінетичних властивостей.
Для аналізу стабільності геометричної топології та розподілу електронної густини запропоновано фізичну модель
на основі квантової теорії хімічного зв’язку й міжатомних потенціалів. Оцінено вплив матричного оточення та
встановлено ефект “перемикання” хімічних зв’язків у нанокластерах, який можна використати для створення
хроматично-чутливих напівпровідникових елементів.
Ключові слова: кремнієві нанокластери, гетеропереходи, матричне оточення, квантово-хімічне моделювання,
пасивація, катіонізація, перемикання хімічних зв’язків.
тично важливим для забезпечення надійності й без
пеки інженерних систем нового покоління.
Мета цієї роботи полягала у визначенні струк
турних, електронноенергетичних, транспортно
кінетичних характеристик кремнієвих нанокласте
рів з різною кількістю атомів, а також досліджен
ні впливу матричного оточення на їхні властивості.
Фізико-хімічні характеристики нанокластерів
Основними структурними, електронноенерге
тичними, транспортнокінетичними характеристи
ками напівпровідникових НК і наночастинок (НЧ)
на їх основі у застосуванні в функціональній елек
троніці, зокрема у наноелектроніці, є:
• розмір та геометрична структура НК/НЧ;
• енергія зв’язку як критерій стійкості структури;
• розподіл заряду та електричного потенціалу все
редині НК/НЧ та поблизу їхньої поверхні;
• енергетична щілина ΔE між верхнім заповненим
ЕHOMO та нижнім вільним ЕLUMO енергетичними ста
нами (ΔE = ЕLUMO – ЕHOMO), що є аналогом заборо
неної зони в об’ємних напівпровідниках;
• величина першого потенціалу іонізації I1 та ро
бота виходу електрона Ее
–.
• енергія спорідненості до електрона Еaff і рівень
Фермі ЕF;
• електрична ємність НК/НЧ (ефективну власну
ємність Ceff об’єктів молекулярного масштабу можна
оцінити за формулою Ceff = 2е2/(I1 – А1), де e — еле
ментарний електричний заряд; А1 — спорідненість
до електрона);
• електронний та фононний спектри;
• характер залежності зазначених властивостей від
електричного та магнітного полів, а також від темпе
ратури та механічних напружень.
DOI: 10.15222/TKEA2026.1.09
Володимир КОВАЛЬЧУК1, Дмитро КОРБАН 2, Максим ЯКОВЕНКО 3
Україна, м. Одеса, 1Одеський технологічний університет «ШАГ»;
2Національний університет «Одеська морська академія»;
3Південноукраїнський національний педагогічний університет ім. К. Д. Ушинського
Технологія та конструювання в електронній апаратурі, 2026, № 110 ISSN 3083-6530 (Print)
ISSN 3083-6549 (Online)
10
НОВІ КОМПОНЕНТИ ДЛЯ ЕЛЕКТРОННОЇ АПАРАТУРИ
Розрахункові моделі характеристик
нанокластерів
З початку XXI століття методи математичного мо
делювання фізикохімічних характеристик нанокла
стерів, наночастинок та кластеризованих матеріалів
на їх основі постійно вдосконалюються. Точність
більшості використовуваних квантовомеханічних
моделей визначається рівнем наближень, ефектив
ність яких можна встановити, порівнюючи експери
ментальні дані із результатами розрахунків:
• із застосуванням потенціалів міжатомної взаємо
дії — для наночастинок із кількістю ≥ 100 атомів;
• за допомогою методів ab initio (та близьких до
них) квантової хімії — для менших за розмірами
НКсистем (у наших розрахунках це від 2 до 50 ато
мів Si, що відповідає розмірам від 0,23 нм до 1,5 нм).
У разі низької щільності електронів перенесення
заряду вздовж ланцюжка НК відповідно до матема
тичної моделі описується гамільтоніаном
= + + +1 2 3 4H H H H H . (1)
Оператор енергії збудження Н1 задається спів
відношенням
( )λ λ λ
λ
ε ω 1 / 2n n n
n
a a b b+ += + +å å1H , (2)
де an
+, an — оператори народження та знищення збуд
женого електрона з енергією εn у nй
наночастинці;
bλ
+, bλ — оператори народження та знищення фонона
з енергією hωλ.
Оператор Гамільтона Н2 описує процес перене
сення електрона між nм та mм НК, зумовлений пе
рекриванням електронних орбіталей з інтегралом пе
рекривання Jmn:
,
nm n n
n m
J a a+=å2H . (3)
Оператори Н3 та Н4 враховують вплив коливань
ґратки на рух електронів. Відповідний оператору Н3
діагональний матричний елемент (п = т) вносить змі
ни в енергію електрона, локалізованого в положен
ні п, при взаємодії з фононами:
( )2
λ λ λ λ
λ,
ωn n n
n
g a a b b+ +
-= +å3H , (4)
де gnλ — безрозмірна стала електронфононної взаємодії.
Гамільтоніан (4) записано за припущення, що
електрон взаємодіє лише з однією гілкою нормаль
них коливань ґратки. Урахування інших фононних гі
лок потребує додавання всіх внесків із відповідною
статистичною вагою.
Оператор Н4 ототожнює вплив лінійних коливань
на ймовірність переходу з одного стійкого положен
ня до іншого і записується для випадку, коли n ≠ m:
( )2
λ λ λ λ
, ,λ
ωnm n m
n m
f a a b b+ +
-= +å4H , (5)
fmnλ — константа взаємодії.
За допомогою математичної моделі, що описує
конкретні НК, неможливо врахувати всі переліче
ні компоненти гамільтоніана, оскільки в операторі
(1) існують обмеження: використовують лише пер
ші два доданки — Н1 та Н2, а іншими нехтують. Для
визначення Н3 та Н4 необхідно розрахувати основ ні
квантовоенергетичні параметри НК, що беруть
участь у перенесенні заряду.
Для модельного опису перенесення заряду в НК
зручно скористатися квантовомеханічною моделлю
руху заряду в послідовності потенціальних бар’єрів
[1]. НК можуть бути відокремлені один від одного
лігандною оболонкою (далі — матричне оточення
[4]). Останнє можна подати у вигляді низки потен
ціальних ям, що містять електронні рівні основ ного
та збудженого станів. Для атомів, які формують НК
і перебувають в основному стані, валентні елек
трони є локалізованими. При переході атомів у збу
джений стан відкривається можливість тунелю
вання носіїв заряду через непровідне середовище.
Електропровідність можна змінювати, регулюючи
відстань між НК за допомогою матричного оточен
ня (про це йдеться далі). Транспорт носіїв струму в
НК можна подати у вигляді перенесення хвильового
пакета електрона через певну послідовність потен
ціальних бар’єрів.
Структура SiНК із кількістю атомів до 100 від
різняється від структури cSi [1] – [3]. Згідно з резуль
татами модельного аналізу, викладеними, зокрема, у
наших працях та роботах інших дослідників, геоме
трична форма НК здатна змінюватися так, щоб забез
печувати їхню енергетичну стабільність. Так, SiНК із
кількістю атомів до 10 (0,3 – 0,5 нм) утворюють пла
нарні атомарні кільця (АК), ланцюжки або навіть НК
цятки у вигляді компактного острівця. Для НК з кіль
кістю атомів до 26 (0,5 – 0,9 нм) досить характерною є
видовжена форма. Для НК до 50 атомів (0,9 – 1,5 нм)
характерна більш симетрична, сфероподібна струк
тура [9]. Визначення розподілу електрон ної густини
у таких НК, а також їхніх структурних та енергетич
них характеристик при зміні заряду є важливою за
дачею моделювання. Для її розв’язання використо
вують потенціали міжатомної взаємодії (ПМАВ) та/
або методи квантової хімії.
Потенціали міжатомної взаємодії. На сьогодні
існує чимало моделей ПМАВ, які застосовують для
розрахунку енергетичного спектра НК. З розвитком
технологій штучного інтелекту процес вибору потен
ціалу можна оптимізувати та сформулювати обґрун
товані рекомендації щодо його використання.
Аналіз фахових літературних джерел засвідчує
широкий вибір наявних підходів. Ключове завдан
ня полягає у виборі конкретної моделі відповідно до
специфіки об’єкта та мети дослідження: розмірів на
нокластерів, очікуваних результатів тощо.
У наших дослідженнях використано добре зареко
мендований ПМАВ Стілінджера–Вебера у модифіко
Технологія та конструювання в електронній апаратурі, 2026, № 1 11ISSN 3083-6530 (Print)
ISSN 3083-6549 (Online)
11
НОВІ КОМПОНЕНТИ ДЛЯ ЕЛЕКТРОННОЇ АПАРАТУРИ
ваній версії (MSW) [10], [11]. Розроблена програмна
платформа забезпечує високоякісну візуалізацію ха
рактеристик не лише НК, а й наночастинок та нано
кластерних підсистем у молекулярнодинамічному
наближенні. Пакет містить зручні інтерфейси, гене
рує детальну графіку для чіткої інтерпретації моде
лей НК та їхніх властивостей, а також забезпечує ви
соку інтерактивність завдяки широкому набору меню
та підменю.
При застосуванні методу MSW гамільтоніан має
такий вигляд:
1 2 1 2
2
(2) (3)
int int
1
( , ... , , ... )
( ) ( , , )
2
N N
N N N
i
ij ij ik jk
i i j i j k
H r r r p p p
p V r V r r r
m= < < <
=
= + +å å å
; (6)
(2)
int
1 Λ1 exp
( ) , 2,5σ ;
0, others
p
ij ij ABijij
A B
V r rr ar
ì üæ ö æ öï ï÷ ÷ï ïç ç÷ ÷ï ïç ç- ÷ ÷çï ïçï ï÷ ÷ç ç= <÷-÷çí ýè øè øï ïï ïï ïï ïï ïî þ
; (7)
(3)
int
2
( , , ) Π Π Π ;
δ δ1Π Λ cosθ exp ,
3
ij ik jk ijk kij jki
ijk ijk
ijk jik
ij ik
V r r r
r a r a
= + +
æ öæ ö ÷ç÷ ÷ç ç= + +÷ ÷ç ç÷ ÷çè ø ç ÷- -è ø
(8)
де 1 2, ... Nr r r
— координати атомів;
V(2)
int, V(3)
int — відповідно, дво та тричастинковий
потенціал взаємодії;
θijк — кут;
,ij ikr r
— вектор між iм та jм атомами у ґратці з
рівноважною відстанню між двома най
ближчими сусідами (r0), ij i jr r r= -
.
За оцінками ПМАВ типу MSW для кристалічно
го кремнію (cSi) відстань r0 дорівнює 2,351 Å, а в
ме жах простого SW — 2,0951 Å. При застосуванні
ПМАВ MSW енергія міжатомної взаємодії між най
ближчими сусідами в cSi (хімічний зв’язок ЕSi–Si) від
повідає величині 2,1675 eВ. Методику обчислення па
раметрів А, В, р та Λ у ПМАВ MSW описано в [11].
На одному з етапів дослідження реальну поверх
ню кремнію моделювали із застосуванням ПМАВ
MSW, транслюючи елементарні комірки із тетраед
ричною симетрією (до 100 атомів). Така тривимірна
модель поверхні дала змогу визначити різні аспекти
її молекулярної структури, зокрема хімічну тополо
гію, деталі конформації тощо. Надалі досліджували
процеси адсорбції на такій поверхні SiНК, різних за
розміром (від 2 до 50 атомів), формою та симетрією:
від простих до щільно упакованих і поліедричних.
Методи квантової хімії. Для перевірки точно сті
запропонованої математичної моделі розрахунку
енергетичних характеристик складних систем вико
нано розрахунок SiНК із застосуванням методу са
моузгодженого поля в різних квантовохімічних на
ближеннях [12]: напівемпіричних методів НДП (з ну
льовим диференціальним перекриттям) та PM3, не
атомного методу Хартрі–Фока (ХФ) у мінімальному
(початковому) базисі 321G та розширеному бази
сі 631G*, методу MP2, а також методу функціонала
електронної густини (B3LYP/631G*). Отримані ре
зультати наведено у табл. 1 (експериментальні зна
чення мають похибку близько 5 – 10%).
Методичні результати. Розрахунок різних за роз
міром SiНК (від 2 до 50 атомів Si у матричному ото
ченні або без нього) дав такі практичні результати.
Переважна більшість SiНК має від’ємні значення
енергії зв’язку, що свідчить про їхню хімічну стій
кість. Величина енергії зв’язку, яка припадає на один
атом (Eзв / ат), зростає зі збільшенням кількості ато
мів у складі нанокластера.
Потенціал іонізації I1 за абсолютною величиною
теоретично наближається до енергії вищої заповне
ної орбіталі ЕHOMO, що повністю узгоджується з
тео ремою Купманса. Величина енергетичної щілини
ΔЕ = ЕLUMO – ЕHOMO для наведених у табл. 1 SiНК
відрізняється від енергії спорідненості до електрона
A1. Це свідчить про перебудову зовнішніх електрон
них орбіталей під час захоплення додаткового елек
трона. Симетрія та форма SiНК визначають вели
Таблиця 1
Параметри Si2, розраховані різними методами квантової хімії
Параметр НДП PM3
ХФ MP2
(631G*)
B3LYP
(631G*) Експеримент
321G 631G*
d(Si–Si), Å 2,03 2,30 2,37 2,25 2,26 2,34 2,25
d(Si–Si)+, Å 2,14 2,48 2,42 2,41 2,41 2,38 (подовження зв’язку)
d(Si–Si)–, Å 2,10 1,97 2,39 2,16 2,16 2,20 (скорочення зв’язку)
EHOMO, eВ –11,93 –7,61 –8,11 –8,02 –7,38 –5,62 —
ΔE, eВ 8,52 3,56 7,48 7,58 6,03 1,70 —
I1, eВ 11,7 7,5 7,2 7,5 6,7 7,8 7,5
A1, eВ 3,6 3,7 1,5 1,1 1,9 1,9 2,2
Примітка. d(Si–Si) — міжатомна відстань у нейтральній молекулі Si2;
d(Si–Si)+, d(Si–Si)– — відстань у катіоні Si2+ та аніоні Si2–.
Технологія та конструювання в електронній апаратурі, 2026, № 112 ISSN 3083-6530 (Print)
ISSN 3083-6549 (Online)
12
НОВІ КОМПОНЕНТИ ДЛЯ ЕЛЕКТРОННОЇ АПАРАТУРИ
чину цієї енергетичної щілини. Зі зменшенням роз
міру нанокластера вона зростає, і це змінює оптичні
вла стивості матеріалу, зокрема спричиняє зсув спек
тра випромінювання [13].
Для оцінки провідникових властивостей SiНК у
наближенні методу PM3 було побудовано вищі запов
нені молекулярні орбіталі (HOMO) для нейтральних
(НК0) та аніонних (НК–) структур. У табл. 1 наведено
результати розрахунків лише тих НК, які мають зам
к нуту електронну оболонку. Дані свідчать, що про
відникові властивості мають геометрично оптимізо
вані НК, а саме ті, що складаються з п’яти, семи та
восьми атомів. Проте навіть за мінімальної зміни за
ряду структури її провідникові властивості зникають.
Слід зазначити, що під час тунелювання носіїв
струму через напівпровідникові НК малих розмірів
їхній заряд протягом певного часу (наприклад, напів
періоду часу тунельного переходу t/2) змінюється на
величину елементарного електричного заряду е, вна
слідок чого відбувається істотна зміна енергетичної
структури: положення новоутвореного вищого за
пов неного рівня не збігається з нижнім вільним рів
нем нейтрального нанокластера. Також існує неви
значеність оцінювання енергії, пов’язана з частот
ною межею використання подібних одноелектрон
них приладів на основі НК:
( ) ( )0
max LOMO HOMO 1ω / / ΔE E E A-@ - = - , (9)
де Е0
LOMO — енергія нижнього вільного рівня нейтраль
ного НК;
Е–
HOMO — енергія вищого заповненого рівня НК із за
рядом –е.
Для розглянутих SiНК ця максимальна частота
становить приблизно 1015 Гц, що відповідає діапазо
ну оптичного випромінювання та є практично недо
сяжною в реальних приладах, призначених для пе
редачі та обробки електричних сигналів.
Порівнюючи використані методи квантової хімії
(див. табл. 1), можна зробити такі висновки.
1. Найточніше довжину хімічного зв’язку Si–Si
визначає метод Хартрі–Фока в розширеному базисі
хвильових функцій (631G*).
2. У разі відриву електрона (катіонізації) довжина
зв’язку в SiНК збільшується, а при захопленні (аніо
ні зації) — зменшується. Отже, за зміни заряду НК
його геометрію необхідно обов’язково оптимізувати.
3. Енергію спорідненості до електрона та потен
ціал іонізації для підвищення точності розрахунку
слід обчислювати у наближенні ПФЕГ. Проте при
оцінюванні довжини зв’язку похибка методу ПФЕГ
є порівнянною з результатами наближеного методу
ХФР у базисі 321G*.
4. Енергія вищого заповненого рівня ЕHOMO у на
ближенні ХФР у базисі 631G* добре узгоджуєть
ся з потенціалом іонізації, що відповідає теоремі
Купманса.
5. Застосування методу MP2/631G* занижує зна
чення потенціалу іонізації, тоді як енергія спорідне
ності до електрона обчислюється досить точно.
6. Різниця енергій ЕLUMO – ЕHOMO у НК близька
до значення енергії спорідненості до електрона, тому
цю величину слід обчислювати за допомогою мето
ду ПФЕГ у базисі B3LYP/631G*, оскільки інші ме
тоди дають значні похибки.
Крім того, можна зазначити, що для якісної оцін
ки стабільності, геометрії та електронної структури
SiНК найефективнішим є метод PM3. Надалі гео ме
трію структури можна уточнювати методом ХФР у
розширеному базисі 631G*, а для кількісного розра
хунку основних енергетичних і транспортних пара
метрів НК — методи MP2/631G* та ПФЕГ. Слід за
значити, що під час дослідження процесу осаджен
ня SiНК на поверхню твердотільної кристалічної
підкладки (cSi) необхідно обов’язково враховува
ти вплив не лише підкладки, а й зовнішнього елек
тромагнітного поля. Енергетичну схему взаємодії
поверхні з SiНК (адсорбатом) наведено на рис. 1.
Якщо вищий заповнений енергетичний рівень
(ЕHOMO на рис. 1, а) SiНК розташований вище за рі
вень Фермі (ЕF) у твердому тілі, то електрон може пе
рейти на поверхню, а адсорбований кластер набуває
додатного заряду (перетворюється на катіон). Якщо
незаповнений рівень (ЕLUMO на рис. 1, б) адсорбо
ваного НК розташований нижче за рівень Фермі, то
електрон може захоплюватися нанокластером, який
при цьому набуває від’ємного заряду (перетворю
ється на аніон).
Згідно з нашими розрахунками (див. табл. 1),
дов жина міжатомного хімічного зв’язку в НК зміню
ється: у катіонному стані (НК+) зв’язок подовжуєть
ся, а в аніонному (НК–) — скорочується. Імовірність
таких процесів визначається висотою енергетично
го бар’єру між НК та поверхнею підкладки (твер
дого тіла).
Рис. 1. Схематичний енергетичний опис взаємодії адсорбо
ваного НК із поверхнею підкладки (твердого тіла):
а — перехід електрона на поверхню підкладки (утворення ка
тіона НК+); б — захоплення електрона нанокластером (утво
рення аніона НК–)
а)
Ee
–
EF
EHOMO
Adsorbat Surface
Ei
б)
Ee
–
EF
ELUMO
Adsorbat Surface
Eaff
EHOMO
Технологія та конструювання в електронній апаратурі, 2026, № 1 13ISSN 3083-6530 (Print)
ISSN 3083-6549 (Online)
13
НОВІ КОМПОНЕНТИ ДЛЯ ЕЛЕКТРОННОЇ АПАРАТУРИ
Вплив оточення на властивості нанокластерів
Матричним оточенням НК можуть бути ліганди,
що виконують роль пасиваторів розірваних хіміч
них зв’язків атомів кремнію: атоми водню, галоге
нів, НКфрагменти та ін. [4].
Призматичний Si-НК. Призматичний SiНК у
органічному матричному середовищі, насиченому
вуглеводнем (алканом) з хімічною формулою С6Н14
(рис. 2), характеризується спектром поглинання в
жовтопомаранчевій області оптичного діапазону
[14]. Гексан є неполярним розчинником з відносно
низькою діелектричною проникністю (1,89). На межі
розділу між ним та SiНК виникають діелектричні об
меження: електрони і дірки зазнають потужної куло
нівської взаємодії. Це зумовлено тим, що силові лі
нії електричного поля проходять через середовище з
низькою діелектричною проникністю, де кулонівська
взаємодія екранується слабко. Для електрона матрич
не оточення гексану слугує потенціальним бар’єром,
а отже, НК є глибокою квантовою ямою.
Розглянутий призматичний НК, на відміну від НК
тетраедричної симетрії та сфероподібного НК, суттє
во порушує просторову симетрію, що зумовлює ані
зотропію оптичних переходів (електронні та діркові
стани розщеплюються, роблячи спектри поглинання
та люмінесценції чутливими до поляризації світла) та
зміну положення енергетичних рівнів. Саме останній
параметр залежить від геометричних розмірів НК.
Розрахунки розподілу електронної густини в ін
ших НК з атомами елементів IV групи періодичної
системи (Si, Ge, Sn), виконані в програмі GAMESS
(базисний набір 631G), показують, що під час утво
рення подвійних хімічних зв’язків атоми активніше
змінюють гібридизацію своїх атомних орбіталей.
У результаті отримуємо призматичну конфігурацію
(з повністю пасивованими хімічними зв’язками), яка
є стабільнішою за планарні бензеноподібні SiНК.
У призматичних НК можуть утворюватися подвій
ні Si–Si хімічні зв’язки. Оскільки у такому НК но
сії струму є просторово обмеженими, НК ефективно
поглинають та випромінюють світло в видимому або
ближньому ІЧдіапазоні. Цей факт виокремлює осо
бливості призматичного SiНК, оскільки у звичайно
му стані кристалічний кремній, як непрямозонний на
півпровідник, майже не випромінює світла. Прояв ви
сокої фоточутливості призматичного SiНК у органіч
ному матричному середовищі відбувається під дією
УФвипромінювання з довжиною хвилі 340 – 380 нм.
За низьких температур виникають смуги поглинання
при 335 нм, 455 нм та 500 нм. Під дією оптичного
збудження НК світлом з довжиною хвилі λ > 460 нм
ці смуги регенерують. Очевидно, це зумовлено руй
нуванням одного з кілець НК, що складається з чоти
рьох атомів кремнію. У цьому разі можливим є утво
рення подвійних хімічних зв’язків через “перемикан
ня” одинарних зв’язків Si–Si.
Проведені теоретичні розрахунки призматичних
НК показують, що незначна енергія перемикання хі
мічних зв’язків свідчить про високу реакційну здат
ність подвійного зв’язку Si = Si. Завдяки вузькій за
бороненій зоні призматичного НК термічна реакція,
що відбувається вищезазначеним шляхом переходу
до зв’язку Si = Si, є формально забороненою. Проте
взаємодія хімічних зв’язків спричиняє розщеплен
ня молекулярних орбіталей на зв’язувальні та роз
пушувальні. Переходи між цими електронними рів
нями відповідають експериментально визначеним
смугам поглинання при λ = 455 нм та 335 нм відпо
відно. Найнижча енергія переходу відповідає шири
ні забороненої зони. Відносно слабкою є лінія по
глинання при λ = 500 нм.
Вплив матричного оточення на атомарні НК-
кільця. Проведений аналітичний аналіз ілюструє
більшу стабільність тих ізомерів НК Z6H6 (Z = Si, Ge,
Sn), які мають меншу кількість подвійних хімічних
зв’язків. Відповідно до розрахунків, у пасивованого
чотирма атомами водню НК, що містить чотири ато
ми кремнію (НКSi4H4), довжина хімічного зв’язку
Si–Si (rSi–Si) скаладає 2,314 Å. Такий зв’язок є корот
шим за одинарний у тому ж НК, довжина якого ста
новить 2,52 Å.
Збільшення кількості атомів Si у НК призводить
до зростання міжатомних відстаней:
rSi–Si(Si4H4) = 2,314 Å < rSi–Si(Si6H6) = 2,359 Å <
< rSi–Si(Si8H8) = 2,396 Å.
Величина rSi–Si у циклічному трьохатомному НК
менша ніж у циклічному чотириатомному:
rSi–Si(Si3) = 2,241 Å < rSi–Si(Si4) = 2,373 Å.
Ця тенденція посилюється для вищих замісників
IV групи періодичної таблиці. Результати розрахун
ків доводять, що немає підстав пов’язувати довжи
ну хімічного зв’язку з його міцністю. Так, хімічний
зв’язок у триатомному НКкільці (3АК) є “слабшим”,
ніж у 4АК. Це зумовлено тим, що для аналогів вугле
цю (елементів IV групи) в НК характерне збереження
певного типу гібридизації задля втримання триатом
ного каркаса із конкретною симетрією, навіть попри
Рис. 2. Оптичні переходи для двох типів шестиатомних
призматичних Siнанокластерів у матричному середовищі
з гексану [13]
Si Si
Si
Si Si
Si
Si Si
Si
Si Si
Si
hv: λ < 400 nm
hv: λ > 400 nm
Технологія та конструювання в електронній апаратурі, 2026, № 114 ISSN 3083-6530 (Print)
ISSN 3083-6549 (Online)
14
НОВІ КОМПОНЕНТИ ДЛЯ ЕЛЕКТРОННОЇ АПАРАТУРИ
енергетичні витрати. Для компенсації втрати енергії
довжина хімічного зв’язку між атомами каркаса ско
рочується доти, доки це сприяє стабілізації самого
НК. Ступінь гібридизації є достатнім для компенса
ції такого скорочення попри те, що це призводить до
деформації та послаблення зв’язку у 3АК.
Для чотирьохатомних поліедричних НК кремнію,
що складаються виключно з 3АК, характерною є де
формація та послаблення хімічного зв’язку під впли
вом лігандів. Як приклад розглянуто два можливі ізо
мери НК Si4(SiH3)4, представлені на рис. 3. Ці НК від
різняються розтягненням конкретного Si–Siзв’язку
в ядрі НК під впливом пасиваторів.
Результати теоретичних оцінок (на платфор
мі GAMESS у базисному наборі 631G [15]) отри
мано для симетричного НКSi4Y4, де роль лігандів
Y відіграють НКфрагменти типу SiH3. Для таких
структур характерним є виникнення енергетичного
бар’єру внаслідок зміни просторового розташування
лігандів. На рис. 3 ліганди виділені колами навколо
основ ного SiНК (чотирьохатомного НКядра, роз
ташованого в центрі). Коли ліганди змінюють своє
положення у просторі, змінюється довжина хіміч
ного зв’язку Si–Si в основному ядрі НК. Зближення
пасиваторів SiH3 призводить до збільшення між
атомної відстані та навіть можливого розриву зв’язку
(рис. 3, А). Унаслідок поглинання додаткової енер
гії (Ea = 0,43 eВ) пасиватори віддаляються один від
одного (рис. 3, Б), що сприяє формуванню ненапру
жених хімічних зв’язків Si–Si в основному ядрі НК
кремнію. Отже, у такому матричному оточенні синтез
чотирьохатомного НК, повністю утвореного з 3АК,
є високоймовірним.
Велике механічне напруження та послаблений хі
мічний зв’язок у 3АК дають підстави зробити важ
ливий для практики висновок про неможливість ви
користання подібних циклічних блоків для форму
вання великих НКполіедрів [16]. У табл. 2 наведе
но енергії деформації НК для різних типів пасивато
рів (лігандів) обірваних зв’язків. Заміна атомів вод
ню (Н) групою SiH3 призводить до зниження дефор
маційного напруження у НК.
Аналіз розподілу заряду, локалізованого на атомах
НК, підтверджує, що НК SiH3, на відміну від пооди
ноких атомів (наприклад, галогенів), відіграє роль
електропозитивного пасиватора. Слід підкреслити,
що з’ясована перевага електроннодонорних заміс
ників над електронноакцепторними забезпечує зни
ження енергії деформації НК, що є ключовим чинни
ком для досягнення їхньої термодинамічної стабіль
ності. Залежність енергії деформації та поверхне
вої енергії від розміру НК добре узгоджується з да
ними для інших НКсистем. Розрахунки показують,
що збільшення від’ємного заряду на атомах карка
са НК зменшує різницю в розмірах між валентними
s та pорбіталями, внаслідок чого гібридизація атом
них орбіталей поліпшується: енергія s–pпромоції
знижується, коли на атомах каркаса накопичується
від’ємний заряд. Тобто навіть 3АК з групами SiH3
є досить ефективними блоковими НКсистемами.
Висновки
Отже, у роботі визначено основні структурні,
електронноенергетичні та транспортнокінетичні
характеристики НК. Встановлено такі ключові мо
менти:
• досліджувані SiНК мають від’ємні значення
енергії зв’язку, що свідчить про їхню хімічну стійкість;
• збільшення кількості атомів у НК призводить до
зростання питомої енергії зв’язку;
• у разі зміни зарядного стану НК довжина хіміч
ного зв’язку між атомами збільшується при втраті
електрона (катіонізації) і зменшується при захоплен
ні (аніонізації). Це означає, що у таких випадках гео
метрія НК потребує обов’язкової оптимізації;
• для первинної оцінки геометрії та стабільності
SiНК найзручнішим є метод PM3 із подальшим уточ
ненням у базисі ХФР/631G*. Метод ХФР (631G*)
забезпечує найвищу точність у визначенні довжини
зв’язку Si–Si та корелює з теоремою Купманса за зна
ченнями EHOMO. Для кількісного розрахунку енерге
тичних і транспортних параметрів рекомендується
застосовувати методи MP2 (631G*) та ПФЕГ;
• в процесі утворення подвійних хімічних зв’язків
гібридизація атомних орбіталей інтенсивніше зміню
ється у матричному оточенні;
Рис. 3. Енергетичний бар’єр, що виникає в процесі фор
мування чотирьох трьохатомних НКкілець внаслідок
збільшення відстані між пасивуючими НКфрагментами
з подовженим (А) і звичайним (Б) хімічним зв’язком Si–Si
H
Si
А Б
А Б
Ea, еВ
0,4
0,2
Si4(SiH3)4
Таблиця 2
Енергія деформації поліедричних НК SinYn для різних
типів пасивуючого ліганду (Y = H, SiH3)
НК (група симетрії) Eдеф (SinHn),
eВ
Eдеф (Sin (SiH3)n,
eВ
Si4H4 (Тd) 6,14 4,90
Si6H6 (D3h) 4,96 4,13
Si8H8 (Oh) 4,10 3,30
Примітка. Розраховано за алгоритмом GAMESS
у базисі 631G.
Технологія та конструювання в електронній апаратурі, 2026, № 1 15ISSN 3083-6530 (Print)
ISSN 3083-6549 (Online)
15
НОВІ КОМПОНЕНТИ ДЛЯ ЕЛЕКТРОННОЇ АПАРАТУРИ
• спостерігається висока активність подвійного
зв’язку Si = Si через малу енергію його перемикан
ня, що зумовлено відносно вузькою забороненою
зоною НК;
• ізомери Z6H6 (де Z = Si, Ge, Sn) з меншою кіль
кістю подвійних зв’язків демонструють вищу ста
більність, при цьому НК із повністю пасивованими
зв’язками у формі призми є більш стабільною конфі
гурацією, ніж планарні бензолоподібні SiНК;
• природа пасиваторів (атомів водню або, напри
клад, фрагментів SiH3) впливає на енергію дефор
мації поліедричних НК типу SinYn. Високе механіч
не напруження та послаблений хімічний зв’язок у
3АК вказують на неможливість використання та
ких циклічних блоків для формування великих НК
поліедрів.
Результати досліджень НК визначеної симетрії та
морфології різного розміру можуть бути використані
в процесі створення кремнієвих світлодіодів (LED),
нанолазерів та оптичних хвилеводів, що ефективно
інтегруються у мікросхеми, а також як структурні
елементи наноелектронних транзисторів, випрямля
чів та інших пристроїв функціональної електроніки.
ВИКОРИСТАНІ ДЖЕРЕЛА
[1] Ю. М. Поплавко, Фізика твердого тіла, т. 1, Структура,
квазічастинки, метали, магнетики. Київ: КПІ ім. Ігоря Сікорського,
Видво «Політехніка», 2017.
[2] K. Jackson and J. Jellinek, “Si clusters are more metallic
than bulk Si,” J. Chem. Phys., vol. 145, no. 24, p. 244302, 2016, doi:
10.1063/1.4972813.
[3] S. Manna, Y. Wang, A. Hernandez et al., “A database of
lowenergy atomically precise nanoclusters,” Sci. Data, vol. 10,
pp. 308 – 311, 2023, doi: 10.1038/s41597023022004.
[4] В. В. Ковальчук, Д. О. Корчевський, Д. О. Дячок, і Д. О.
Попряга, “Методи формування матричного оточення наноклас
терів у випадку біологічних об’єктів”, Acta Carpathica, вип. 2, с.
106–114, 2025, doi: 10.32782/24508640.2025.2.11.
[5] V. V. Kovalchuk, D. O. Dyachok, and D. O. Popriaha, “Film
heterojunction with nanocluster subsystem for new type of photocells,”
Technology and design in electronic equipment, no. 3, pp. 9 – 14, 2025,
doi: 10.15222/TKEA2025.34.09
[6] В. В. Ковальчук і Д. О. Попряга, «Формування наноклас
терної підсистеми плівкового гетеропереходу», Сенсор. елект
роніка і мікросистем. технології, т. 22, вип. 3, с. 58–65, 2025, doi:
10.18524/18157459.2025.3.339805.
[7] О. Г. Пашинська та А. В. Завдовєєв, «Штучний інтелект
у матеріалознавстві: зміни у відкритті та розробці матеріалів»,
Науковий журнал Метінвест Політехніки. Серія: Технічні на-
уки, № 5, с. 152 – 163, 2025, doi: 10.32782/30412080/2025517.
[8] M. Uchida, T. Yokoi, Y. Ogura, and K. Matsunaga, “Artificial
neuralnetwork descriptor enhancing accuracy of machinelearning
interatomic potential and its application to lattice defects in Si,”
Phys. Rev. Mater., vol. 10, no. 8, p. 103805, 2024, doi: 10.1103/
PhysRevMaterials.8.103805.
[9] W.H. Yang, W.C. Lu, C. Z. Wang, and K. M. Ho, “How
big does a Si nanocluster favor bulk bonding geometry?,” J. Phys.
Chem. C, vol. 120, no. 3, pp. 1966 – 1970, 2016, doi: 10.1021/acs.
jpcc.5b11004.
[10] N. E. Mohammad, “Comparing empirical interatomic
potentials to modeling silicon surface stress,” Solid State Commun.,
vol. 344, p. 114656, 2022, doi: 10.1016/j.ssc.2022.114656.
[11] M. Uchida, T. Yokoi, Y. Ogura, and K. Matsunaga,
“Application of neuralnetwork potential based on trainable descriptor
to crystallographically complex lattice defects in silicon,” Phys. Rev.
Mater., vol. 9, p. 113804, 2025, doi: 10.1103/3gx6zp38.
[12] N. Pangeni, C. Shahi, J. Perdew, V. Subramanian, B. Kanungo,
V. Gavini, and A. Ruzsinszky, “HartreeFock density functional theory
works through error cancellation for the interaction energies of halogen
and chalcogen bonded complexes,” J. Chem. Phys., vol. 9, pp. 3 – 11,
2025, doi: 10.26434/chemrxiv2025wfft9v2.
[13] В. В. Ковальчук, «Optical properties of clusters»,
Journal of physics and electronics, т. 26, № 1, с. 29 – 34, 2018, doi:
10.15421/331804.
[14] A. Sekiguchi and H. Sakurai, “Exotic polyhedral
oligogermanes and related molecules,” in The Chemistry of Inorganic
Ring Systems, R. Steudel, Ed. New York, NY, USA: Elsevier, 1992,
pp. 101 – 123.
[15] В. В. Ковальчук та М. О. Яковенко, «A systematic analysis
of calculation schemes in quantum chemical bonding theory using the
GAMESS platform», у Матеріали IX Міжнар. наук.-практ. конф.
«Ricerche scientifiche e metodi della loro realizzazione: esperienza
mondiale e realtà domestiche», Болонья, Італія, 10 лип. 2026,
с. 78 – 82, [Online]. Available: https://archive.logosscience.com/
index.php/conferenceproceedings/article/view/3771.
[16] S. Ali and E. Neyts, “Sizedependent strain and surface
energies of gold nanoclusters,” Phys. Chem. Chem. Phys., vol. 18,
no. 2, pp. 792 – 800, 2016, doi: 10.1039/C5CP06153A.
Надійшла до редакції 2.06.2026
Прийнято до друку 17.06.2026
Відомості про авторів
Володимир Ковальчук, докт. фіз.мат. наук, ректор,
Одеський технологічний університет «ШАГ», Україна;
еmail: lslvvvas@ukr.net;
ORCID: https://orcid.org/0000000174608092
Дмитро Корбан, канд. техн. наук, доцент, Національний
університет «Одеська морська академія», Україна;
еmail: korbandmv@gmail.com;
ORCID: https://orcid.org/0000000267982526
Максим Яковенко, аспірант, Південноукраїнський
національний педагогічний університет ім. К. Д.
Ушинського, Одеса, Україна;
еmail: maksyakovenko1@gmail.com;
ORCID: https://orcid.org/ 0009000300380437
About the authors
Volodymyr Kovalchuk, Dr. Sc, Rector, Odesa Technological
University IT STEP, Ukraine;
еmail: lslvvvas@ukr.net;
ORCID: https://orcid.org/0000000174608092
Dmitrо Korban, Ph.D., Associate Professor, National
University «Odesa Maritime Academy», Ukraine;
еmail: korbandmv@gmail.com;
ORCID: https://orcid.org/0000000267982526
Maxim Yakovenko, Grad. Student, South Ukrainian National
Pedagogical University named after K. D. Ushynsky,
Odesa, Ukraine;
еmail: maksyakovenko1@gmail.com;
ORCID: https://orcid.org/ 0009000300380437
Технологія та конструювання в електронній апаратурі, 2026, № 116 ISSN 3083-6530 (Print)
ISSN 3083-6549 (Online)
16
НОВІ КОМПОНЕНТИ ДЛЯ ЕЛЕКТРОННОЇ АПАРАТУРИ
REFERENCES
[1] Yu. M. Poplavko, Solid State Physics (in Ukrainian), vol. 1,
Structure, Quasiparticles, Metals, Magnetics. Kyiv, Ukraine: Igor
Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute, Publishing House “Polytechnica”,
2017.
[2] K. Jackson and J. Jellinek, “Si clusters are more metallic
than bulk Si,” J. Chem. Phys., vol. 145, no. 24, p. 244302, 2016, doi:
10.1063/1.4972813.
[3] S. Manna, Y. Wang, A. Hernandez et al., “A database of
lowenergy atomically precise nanoclusters,” Sci. Data, vol. 10,
pp. 308 – 311, 2023, doi: 10.1038/s41597023022004.
[4] V. V. Kovalchuk, D. O. Dyachok, D. O. Korchevskyi, and D. O.
Popriaha, “Methods of forming the matrix environment of nanoclusters
in the case of biological objects” (in Ukrainian), Acta Carpathica,
vol. 44, no. 2, pp. 106 – 114, 2025, doi: 10.32782/24508640.2025.2.11.
[5] V. V. Kovalchuk, D. O. Dyachok, and D. O. Popriaha, “Film
heterojunction with nanocluster subsystem for new type of photocells,”
Technology and design in electronic equipment, no. 3, pp. 9 – 14, 2025,
doi: 10.15222/TKEA2025.34.09.
[6] V. V. Kovalchuk and D. O. Popriaha, “Formation of a nano
cluster subsystem of a film heterotransfer,” (in Ukrainian) Sensor
Electron. Microsyst. Technol., vol. 23, no. 3, pp. 58 – 64, 2025, doi:
10.18524/18157459.2025.3.339805.
[7] O. H. Pashynska and A. V. Zavdoveev, “Artificial intelligence
in materials science: Changes in discovery and development of materi
als” (in Ukrainian), Sci. J. Metinvest Polytech. Ser. Tech. Sci., no. 5,
pp. 152 – 163, 2025, doi: 10.32782/30412080/2025517.
[8] M. Uchida, T. Yokoi, Y. Ogura, and K. Matsunaga, “Artificial
neuralnetwork descriptor enhancing accuracy of machinelearning
interatomic potential and its application to lattice defects in Si,”
Phys. Rev. Mater., vol. 10, no. 8, p. 103805, 2024, doi: 10.1103/
PhysRevMaterials.8.103805.
Volodymyr KOVALCHUK1, Dmitry KORBAN2, Maxim YAKOVENKO3
Ukraine, Odesa, 1Odesa Technological University IT STEP;
2National University «Odesa Maritime Academy»;
3South Ukrainian State Pedagogical University named after K. D. Ushinsky
CHARACTERISTICS OF NANOCLUSTER SUBSYSTEM COMPONENTS
OF HETEROJUNCTIONS
A calculation and analysis of the characteristics of nanocluster (NC) subsystem components as structural elements for silicon
electronics materials have been performed. Effective computational models were selected to evaluate the structural, energetic,
and kinetic characteristics of NCs of various sizes. To analyze geometric topology stability and electron density distribution,
a physical model based on quantum-chemical methods and interatomic interaction potentials is proposed. Atomic structure
optimization and electronic property analysis of silicon nanostructures revealed that chemical bond lengths increase during
cationization and decrease during anionization. The influence of the matrix environment on nanocluster properties was
analyzed. A phenomenon defined as the “switching” of interatomic chemical bonds within the nanocluster was identified. This
effect yields practical optical capabilities that can be utilized to design color-sensitive semiconductor devices.
Keywords: silicon nanoclusters, heterojunctions, matrix environment, quantum-chemical modeling, passivation, cationization,
chemical bond switching.
DOI: 10.15222/TKEA2026.1.09
UDC 530.145+678.9
[9] W.H. Yang, W.C. Lu, C. Z. Wang, and K. M. Ho, “How
big does a Si nanocluster favor bulk bonding geometry?,” J. Phys.
Chem. C, vol. 120, no. 3, pp. 1966 – 1970, 2016, doi: 10.1021/acs.
jpcc.5b11004.
[10] N. E. Mohammad, “Comparing empirical interatomic po
tentials to modeling silicon surface stress,” Solid State Commun.,
vol. 344, p. 114656, 2022, doi: 10.1016/j.ssc.2022.114656.
[11] M. Uchida, T. Yokoi, Y. Ogura, and K. Matsunaga,
“Application of neuralnetwork potential based on trainable descriptor
to crystallographically complex lattice defects in silicon,” Phys. Rev.
Mater., vol. 9, p. 113804, 2025, doi: 10.1103/3gx6zp38.
[12] N. Pangeni, C. Shahi, J. Perdew, V. Subramanian, B. Kanungo,
V. Gavini, and A. Ruzsinszky, “HartreeFock density functional theory
works through error cancellation for the interaction energies of halogen
and chalcogen bonded complexes,” J. Chem. Phys., vol. 9, pp. 3 – 11,
2025, doi: 10.26434/chemrxiv2025wfft9v2.
[13] V. V. Kovalchuk, “Optical properties of clusters,” J. Phys.
Electron., vol. 26, no. 1, pp. 29 – 34, 2018, doi: 10.15421/331804.
[14] A. Sekiguchi and H. Sakurai, “Exotic polyhedral oligo
germanes and related molecules,” in The Chemistry of Inorganic
Ring Systems, R. Steudel, Ed. New York, NY, USA: Elsevier, 1992,
pp. 101 – 123.
[15] V. V. Kovalchuk and M. O. Yakovenko, “A systematic analy
sis of calculation schemes in quantum chemical bonding theory using
the GAMESS platform,” in Proc. IX Int. Sci. Pract. Conf. Ricerche
Scientifiche e Metodi della Loro Realizzazione: Esperienza Mondiale
e Realtà Domestiche, Bologna, Italy, July 10, 2026, pp. 78 – 82,
[Online]. Available: https://archive.logosscience.com/index.php/
conferenceproceedings/article/view/3771.
[16] S. Ali and E. Neyts, “Sizedependent strain and surface ener
gies of gold nanoclusters,” Phys. Chem. Chem. Phys., vol. 18, no. 2,
pp. 792 – 800, 2016, doi: 10.1039/C5CP06153A.
Copyright: © 2026, The author(s). Licensee: Politekhperiodika, Odesa, Ukraine. This article is an open access
article distributed under the terms and conditions of the Creative Commons Attribution (CC BY) license
(https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/).
|
| id | oai:tkea.com.ua:article-1330 |
| institution | Technology and design in electronic equipment |
| keywords_txt_mv | keywords |
| language | Ukrainian |
| last_indexed | 2026-08-04T01:00:42Z |
| publishDate | 2026 |
| publisher | PE "Politekhperiodika", Book and Journal Publishers |
| record_format | ojs |
| resource_txt_mv | wwwtkeacomua/a9/73e8a2c962ee7ad02a0500f1eca7f0a9.pdf |
| spelling | oai:tkea.com.ua:article-13302026-08-03T14:14:28Z Characteristics of nanocluster subsystem components of heterojunctions Характеристики компонентів нанокластерної підсистеми гетеропереходів Kovalchuk, Volodymyr Korban, Dmytro Yakovenko, Maxim silicon nanoclusters heterojunctions matrix environment quantum-chemical modeling passivation cationization chemical bond switching кремнієві нанокластери гетеропереходи матричне оточення квантово-хімічне моделювання пасивація катіонізація перемикання хімічних зв’язків A calculation and analysis of the characteristics of nanocluster (NC) subsystem components as structural elements for silicon electronics materials have been performed. Effective computational models were selected to evaluate the structural, energetic, and kinetic characteristics of NCs of various sizes. To analyze geometric topology stability and electron density distribution, a physical model based on quantum-chemical methods and interatomic interaction potentials is proposed. Atomic structure optimization and electronic property analysis of silicon nanostructures revealed that chemical bond lengths increase during cationization and decrease during anionization. The influence of the matrix environment on nanocluster properties was analyzed. A phenomenon defined as the “switching” of interatomic chemical bonds within the nanocluster was identified. This effect yields practical optical capabilities that can be utilized to design color-sensitive semiconductor devices. Розраховано та проаналізовано характеристики нанокластерів як компонентів підсистеми матеріалів кремнієвої електроніки. Підібрано ефективні моделі для оцінювання їхніх структурних, енергетичних і кінетичних властивостей. Для аналізу стабільності геометричної топології та розподілу електронної густини запропоновано фізичну модель на основі квантової теорії хімічного зв’язку й міжатомних потенціалів. Оцінено вплив матричного оточення та встановлено ефект “перемикання” хімічних зв’язків у нанокластерах, який можна використати для створення хроматично-чутливих напівпровідникових елементів. PE "Politekhperiodika", Book and Journal Publishers 2026-06-30 Article Article Peer-reviewed Article application/pdf https://www.tkea.com.ua/index.php/journal/article/view/TKEA2026.1.09 10.15222/TKEA2026.1.09 Technology and design in electronic equipment; No. 1 (2026): Technology and design in electronic equipment; 9-16 Технологія та конструювання в електронній апаратурі; № 1 (2026): Технологія та конструювання в електронній апаратурі; 9-16 3083-6549 3083-6530 10.15222/TKEA2026.1 uk https://www.tkea.com.ua/index.php/journal/article/view/TKEA2026.1.09/1225 Copyright (c) 2026 Volodymyr Kovalchuk, Dmitry Korban, Maxim Yakovenko http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/ |
| spellingShingle | кремнієві нанокластери гетеропереходи матричне оточення квантово-хімічне моделювання пасивація катіонізація перемикання хімічних зв’язків Kovalchuk, Volodymyr Korban, Dmytro Yakovenko, Maxim Характеристики компонентів нанокластерної підсистеми гетеропереходів |
| title | Характеристики компонентів нанокластерної підсистеми гетеропереходів |
| title_alt | Characteristics of nanocluster subsystem components of heterojunctions |
| title_full | Характеристики компонентів нанокластерної підсистеми гетеропереходів |
| title_fullStr | Характеристики компонентів нанокластерної підсистеми гетеропереходів |
| title_full_unstemmed | Характеристики компонентів нанокластерної підсистеми гетеропереходів |
| title_short | Характеристики компонентів нанокластерної підсистеми гетеропереходів |
| title_sort | характеристики компонентів нанокластерної підсистеми гетеропереходів |
| topic | кремнієві нанокластери гетеропереходи матричне оточення квантово-хімічне моделювання пасивація катіонізація перемикання хімічних зв’язків |
| topic_facet | silicon nanoclusters heterojunctions matrix environment quantum-chemical modeling passivation cationization chemical bond switching кремнієві нанокластери гетеропереходи матричне оточення квантово-хімічне моделювання пасивація катіонізація перемикання хімічних зв’язків |
| url | https://www.tkea.com.ua/index.php/journal/article/view/TKEA2026.1.09 |
| work_keys_str_mv | AT kovalchukvolodymyr characteristicsofnanoclustersubsystemcomponentsofheterojunctions AT korbandmytro characteristicsofnanoclustersubsystemcomponentsofheterojunctions AT yakovenkomaxim characteristicsofnanoclustersubsystemcomponentsofheterojunctions AT kovalchukvolodymyr harakteristikikomponentívnanoklasternoípídsistemigeteroperehodív AT korbandmytro harakteristikikomponentívnanoklasternoípídsistemigeteroperehodív AT yakovenkomaxim harakteristikikomponentívnanoklasternoípídsistemigeteroperehodív |