چینش اتمی و ویژگی‌های ساختاری و الکترونی Si2BN با استفاده از نظریۀ تابعی چگالی

صالحی, حمدا..; جاودانی, زهره; امیری, پیمان

چینش اتمی و ویژگی‌های ساختاری و الکترونی Si2BN با استفاده از نظریۀ تابعی چگالی

نوع مقاله : علمی-پژوهشی

نویسندگان

¹ گروه فیزیک، دانشکده علوم، دانشگاه شهیدچمران اهواز، اهواز، ایران

² گروه فیزیک،دانشکده علوم،دانشگاه شهیدچمران اهواز،اهواز،ایران

چکیده

گونۀ نوینی از شبکه‌های گرافن گونۀ هگزاگونالی با پیوند sp² شامل عناصر Si ، B و N نیز وجود دارد که دارای پیوند کووالانسی درون لایه‌ای و پیوند واندروالسی میان لایه‌ای هستند. در این پژوهش سه چینش اتمی ممکن برای ترکیب Si₂BN در حالت انبوهه مورد مطالعه قرار گرفته است و سپس ویژگی های ساختاری و الکترونی پایدارترین حالت ترکیب Si₂BN در چارچوب نظریه تابعی چگالی با تقریب‌های گوناگون مانند PBE ، LDA ، PBEsol ، Vdw و HSE مورد بررسی قرار گرفت. محاسبه ها توسط روش امواج تخت بهبودیافته و با نرم‌افزار کوانتوم اسپرسو انجام شد. پایدارترین ساختاربلوریSi₂BN با محاسبه منحنی انرژی بر حسب حجم، انرژی همدوسی، انرژی تشکیل، طول پیوندوآنتالپی ساختارهای گوناگون بلورSi₂BN برای فشارهای گوناگون نشان داده شد. این ساختار در حالت انبوهه فلز است که عامل آن حضور اتم Si می‌‎باشد. با در نظر گرفتن سهم اربیتال‌های هر اتم در ایجاد چگالی حالت کل دیده ‌شد که اربیتال p اتم‌های B و Si₁ در انرژی فرمی به ترتیب بیشترین سهم را در توزیع چگالی نوار ظرفیت و نوار رسانش داشتند. در ایجاد ساختارتک لایه مقدار خل أبهینه برای همۀ تقریب‌ها برابر با ۱۲ آنگستروم درنظرگرفته شده است شایان ذکراست محاسبه هایSi₂BN تک لایه نیزویژگی های فلزی نشان داد ولی طول پیوندها دچارتغییرشده است. در ایجاد ساختار دو لایه‌ای نیز فاصلۀ میان لایه‌ای بهینه و انرژی جذب ساختار مورد بررسی قرار گرفت.

کلیدواژه‌ها

مراجع

[1] Tao L., Cinquanta E., Chiappe D., Grazianetti C., Fanciulli M., Dubey M., Molle M., Akinwande D., Silicene Field-Effect Transistors Operating at Room Temperature, Nature Nanotechnology, 10(3): 227-231 (2015).

[2] Acerce M., Voiry D., Chhowalla M., Metallic 1T Phase MoS₂ Nanosheets as Supercapacitor Electrode Materials, Nature Nanotechnology, 10(4): 313-318 (2015).

[3] Sun Y., Gao S., Xie Y., Atomically-Thick Two-Dimensional Crystals: Electronic Structure Regulation and Energy Device Construction, Chemical Society Reviews, 43(2): 530-546 (2014).

[4] Peng X., Peng L., Wu C., Xie Y., Two Dimensional Nanomaterials for Flexible Supercapacitors, Chemical Society Reviews, 43(10): 3303-3323 (2014).

[5] Chen Y., Tan C., Zhang H., Wang L., Two-Dimensional Graphene Analogues for Biomedical Applications, Chemical Society Reviews, 44(9): 2681-2701 (2015).

[6] Tan C., Yu P, Hu Y., Chen J., Huang Y., Cai Y., Luo Z., Li B., Lu Q., Wang L., High-Yield Exfoliation of Ultrathin Two-Dimensional Ternary Chalcogenide Nanosheets for Highly Sensitive and Selective Fluorescence DNA Sensors, Journal of the American Chemical Society, 137(32): 10430-10436 (2015).

[7] Novoselov K., Geim A., Morozov S., Jiang D., Katsnelson M., Grigorieva I., Dubonos S., Firsov A., Two-Dimensional Gas of Massless Dirac Fermions in Graphene, Nature 438(7065): 197-200 (2005).

[8] Nair R.R., Blake P., Grigorenko A.N., Novoselov K.S., Booth T.J., Stauber T., Peres N.M., Geim A.K., Fine Structure Constant Defines Visual Transparency of Graphene, Science, 320(5881): 1308 (2008).

[9] Ferrari A.C., Bonaccorso F., Fal'Ko V., Novoselov K.S., Roche S., Bøggild P., Borini S., Koppens F.H., Palermo V., Pugno N., Science and Technology Roadmap for Graphene, Related Two-Dimensional Crystals, and Hybrid Systems, Nanoscale, 7(11): 4598-4810 (2015).

[10] Lin Y., Williams T.V., Connell J.W., Soluble, Exfoliated Hexagonal Boron Nitride Nanosheets, The Journal of Physical Chemistry Letters, 1(1): 277-283 (2009).

[11] Liu A.Y., Wentzcovitch R.M., Cohen M.L., Atomic Arrangement and Electronic Structure of BC₂N, Physical Review B, 39(3): 1760 (1989).

[12] Nozaki H., Itoh S., Structural Stability of BC₂N, Journal of Physics and Chemistry of Solids, 57(1): 41-49 (1996(.

[13] Lam K.-T, Lu Y., Feng Y.P., Liang G., Stability and Electronic Structure of Two Dimensional C x (BN) y Compound, Applied Physics Letters, 98(2): 022101 (2011).

[14] Sun J., Zhou X.-F., Fan Y.-X., Chen J., Wang H.-T., Guo X., He J., Tian Y., First-Principles Study of Electronic Structure and Optical Properties of Heterodiamond BC₂N, Physical Review B, 73(4): 045108 (2006).

[15] Hubble H., Kudryashov I., Solozhenko V., Zinin P., Sharma S., Ming L., Raman Studies of Cubic BC₂N, a New Superhard Phase, Journal of Raman Spectroscopy, 35: 822-825 (2004).

[16] Solozhenko V.L., Andrault D., Fiquet G., Mezouar M., Rubie D.C., Synthesis of Superhard Cubic BC₂N, Applied Physics Letters, 78(10): 1385-1387 (2001).

[17] Liu L., Zhao Z., Yu T., Zhang S., Lin J., Yang G., Hexagonal BC₂N with Remarkably High Hardness, The Journal of Physical Chemistry, C2(12): 6801-6807 (2018).

[18] Andriotis A.N., Richter E., Menon M., Prediction of a New Graphenelike Si₂BN Solid, Physical Review B, 93(8): 081413 (2016).

[19] Kresse G., Hafner J, Ab Initio Molecular Dynamics for Liquid Metals, Physical Review B, 47(1): 558 (1993).

[20] Heyd J., Scuseria G.E., Ernzerhof M., Erratum: Hybrid Functionals Based on a Screened Coulomb Potential, The Journal of Chemical Physics, 124(21): 219906 (2006).

[21] Singh D., Gupta S.K., Sonvane Y., Hussain T., Ahuja R., Achieving Ultrahigh Carrier Mobilities and Opening the Band Gap in Two-Dimensional Si₂BN, Physical Chemistry Chemical Physics, 20(33): 21716-21723 (2018).

[22] Perdew J.P., Burke K., Ernzerhof M., Generalized Gradient Approximation Madesimple, Physical Review Letters, 77(18): 3865 (1996).

[23] Sandoval E.D, Hajinazar S., Kolmogorov A.N., Stability of Two-Dimensional BN-Si Structures, Physical Review B, 94(9): (2016).

[24] Segall M., Lindan P.J., Probert M.A., Pickard C., Hasnip P., Clark S., Payne M., First-Principles Simulation: Ideas, Illustrations and the CASTEP Code, Journal of Physics: Condensed Matter, 14(11): 2717 (2002).

[25] Yuan S.-J., Zhang H., Cheng X.-L., Tunable Localized Surface Plasmon Resonances in a New Graphene-Like Si₂BN’s Nanostructures, Plasmonics: 1-7 (2017).

[26] Singh D., Gupta S.K., Sonvane Y., Ahuja R., High Performance Material for Hydrogen Storage: Graphenelike Si₂BN Solid, International Journal of Hydrogen Energy, 42(36): 22942-22952 (2017).

[27] Hussain T., Singh D., Gupta S.K., Karton A., Sonvane Y., Ahuja R., Efficient and Selective Sensing of Nitrogen-Containing Gases by Si₂BN Nanosheets Under Pristine and Pre-Oxidized Conditions, Applied Surface Science, 469: 775-780 (2019).

[28] Shukla V., Araujo R.B., Jena N.K., Ahuja R., The Curious Case of Two Dimensional Si₂BN: A High-Capacity Battery Anode Material, Nano Energy, 41: 251-260 (2017).

[29] Xu Y.-N., Ching W., Calculation of Ground-State and Optical Properties of Boron Nitrides in the Hexagonal, Cubic, and Wurtzite Structures, Physical Review B, 44(15): 7787 (1991).

[30] Murnaghan F., The Compressibility of Media Under Extreme Pressures, Proceedings of the National Academy of Sciences, 30(9): 244-247 (1944).

[31] Mahan G.D., "Many-Particle Physics". (Springer Science&Business Media) (2013).

[32] Heyd J., Scuseria G.E., Efficient Hybrid Density Functional Calculations in Solids: Assessment of the Heyd–Scuseria–Ernzerhof Screened Coulomb Hybrid Functional, The Journal of Chemical Physics, 121(3): 1187-1192 (2004).

[33] Heyd J., Peralta J.E., Scuseria G.E., Martin R.L., Energy Band Gaps and Lattice Parameters Evaluated with the Heyd-Scuseria-Ernzerhof Screened Hybrid Functional, The Journal of Chemical Physics, 123(17): 174101 (2005).

[34] Kohn W., Density Functional Theory for Systems of Very Many Atoms, International Journal of Quantum Chemistry, 56(4): 229-232 (1995).

[35] Heyd J., Scuseria G.E., Ernzerhof M., Hybrid Functionals Based on a Screened Coulomb Potential, The Journal of Chemical Physics, 118(18): 8205-8207 (2003).

[36] Klimeš J., Bowler D.R., Michaelides A., van der Waals Density Functionals Applied to Solids, Physical Review B, 83(19): 195131 (2011).

[37] Zhang Y., Yang W., Comment on “Generalized Gradient Approximation Made Simple”, Physical Review Letters, 80(4): 890 (1998).

[38] Lee K., Murray É.D., Kong L., Lundqvist B.I., Langreth D.C., Higher-Accuracy Van Der Waals Density Functional, Physical Review B, 82(8): 081101 (2010).

[39] Murray E.D., Lee K., Langreth D.C., Investigation of Exchange Energy Density Functional Accuracy for Interacting Molecules, Journal of Chemical Theory and Computation, 5(10): 2754-2762 (2009).

[40] Klimeš J., Bowler D.R., Michaelides A., Chemical Accuracy for the Van Der Waals Density Functional, Journal of Physics: Condensed Matter, 22(2): 022201 (2009).

[41] Becke A., On the Large‐Gradient Behavior of the Density Functional Exchange Energy, The Journal of Chemical Physics, 85(12): 7184-7187 (1986).

[42] Onodera T., Morita Y., Nagumo R., Miura R., Suzuki A., Tsuboi H., Hatakeyama N., Endou A., Takaba H., Dassenoy F., A Computational Chemistry Study on Friction of h-MoS₂. Part II. Friction Anisotropy, The Journal of Physical Chemistry B, 114(48): 15832-15838 (2010).

[43] Hod O., Graphite and Hexagonal Boron-Nitride Have the Same Interlayer Distance. Why?, Journal of Chemical Theory and Computation, 8(4): 1360-1369 (2012).

[44] Reguzzoni M., Fasolino A., Molinari E., Righi M., Potential Energy Surface for Graphene on Graphene: Ab Initio Derivation, Analytical Description, and Microscopicinterpretation, Physical Review B, 86(24): 245434 (2012).