Nanodiamond Collective Electron States and their Localization

Abstract

The collective states despite their importance are rarely used to describe the electron structure of dielectric materials. The nature of the unrelated to impurities unpaired spins found experimentally in the nanodiamond is still under discussion. We propose the explanation of their nature in terms of the collec- tive electron states. Collective states are studied by solving a one-particle one-dimensional Schr¨odinger equation in the Kronig–Penney potential and by ab initio computations of ground state wavefunctions of diamondoids C78H64, C123H100 and C211H140 at the DFT R-B3LYP/6-31G(d,p) level of theory. Three distinct classes were found: collective bonding states resembling modulated particle in a box solutions; surface-localized non-bonding conductive Tamm states and subsurface-localized bonding states for nonuniformly compressed nanodiamond. The existence of the unpaired spins is supposed to result from the spin-density fluctuation effects significant on the nanoscale collective and spread subsurface states

Коллективные электронные состояния, несмотря на их важность, редко используются для описания электронной структуры диэлектриков. Природа не связанных с примесями неспаренных спинов, наблюдаемых экспериментально в наноалмазе, всё ещё обсуждается. Мы предлагаем описание их природы в терминах коллективных электронных состояний. Коллективные состояния исследованы точным решением одночастичного одномерного уравнения Шрёдингера в потенциале Кронига Пенни и первопринципными расчетами волновых функций основных состояний для алмазоидов C78H64, C123H100 и C211H140 методом DFT R-B3LYP/6-31G(d,p). Найдены три различных класса: коллективные связывающие орбитали, соответствующие модулированным решениям для частицы в потенциальной яме; поверхностные несвязывающие проводящие состояния Тамма и подповерхностные связывающие состояния для неоднородно сжатого наноалмаза. Существование неспаренных спинов предположительно объясняется флуктуациями спиновой плотности, значительными для наноразмерных коллективных и протяженных подповерхностных состояний.