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 بیش­ ترین سهم را در توزیع چگالی نوار ظرفیت و نوار رسانش داشتند. در ایجاد ساختارتک لایه مقدار بهینه برای همۀ تقریب‌ها برابر با ۱۲ آنگستروم درنظرگرفته شد شایان ذکراست محاسبه­ هایSi2BN تک لایه نیز ویژگی­ های فلزی نشان داد ولی طول پیوندها دچارتغییرشد. در ایجاد ساختار دو لایه‌ای نیز فاصلۀ میان لایه‌ای بهینه و انرژی جذب ساختار مورد بررسی قرار گرفت.

کلیدواژه‌ها

موضوعات

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).

فایل ها

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار