Эффекты подложки и укладки в двухслойном борофене

Том 12 научных докладов, номер статьи: 13661 (2022 г.) Цитировать эту статью

1367 Доступов

4 цитаты

3 Альтметрика

Подробности о метриках

Двухслойный борофен в последнее время привлек большой интерес благодаря своим выдающимся механическим и электронным свойствам. Межслоевые взаимодействия этих бислоев по-разному представлены в теоретических и экспериментальных исследованиях. Здесь мы разрабатываем и исследуем двухслойный \(\beta _{12}\) борофен с помощью расчетов из первых принципов. Наши результаты показывают, что межслоевое расстояние релаксированного бислоя, сложенного AA, составляет около 2,5 Å, что указывает на межслоевое взаимодействие Ван-дер-Ваальса. Однако это не подтверждается предыдущими экспериментами, поэтому, ограничивая межслоевое расстояние, мы предлагаем предпочтительную модель, близкую к экспериментальным записям. Эта предпочтительная модель имеет одну ковалентную межслойную связь в каждой элементарной ячейке (одностолбчатая). Далее мы утверждаем, что предпочтительная модель — это не что иное, как смягченная модель со сжатием 2%. Кроме того, мы разработали три бислоя, поддерживаемых подложкой, на подложках Ag, Al и Au, что приводит к созданию двухстолбчатых структур. После этого мы исследуем укладку AB, которая образует ковалентные связи в расслабленной форме без необходимости сжатия или подложки. Более того, дисперсия фононов показывает, что, в отличие от стопки АА, стопка АВ стабильна в отдельно стоящей форме. Впоследствии мы рассчитаем механические свойства стопок АА и АБ. Предельная прочность пакетов АА и АВ составляет 29,72 Н/м при деформации 12 % и 23,18 Н/м при деформации 8 % соответственно. При этом рассчитанные модули Юнга составляют 419 Н/м и 356 Н/м для пакетов АА и АБ соответственно. Эти результаты показывают превосходство двухслойного борофена над двухслойным \(\hbox {MoS}_2\) с точки зрения жесткости и податливости. Наши результаты могут проложить путь к будущим исследованиям двухслойных структур борофена.

Борофен в последнее время привлек к себе всплеск интереса благодаря своим выдающимся электронным и механическим свойствам1,2,3,4,5,6. Это самый легкий 2D-материал, что делает его многообещающим кандидатом для легких наноустройств7,8,9. Более того, дефицит электронов в атомах бора вызывает сложные связи, что, в свою очередь, приводит к образованию разнообразных аллотропов борофена. Эти разные фазы определяются разным расположением полых шестиугольников (HH) и соответствующими числами концентрации HH (\(\eta \) или \(\nu \) в некоторых статьях). Наиболее интересные фазы борофена включают \(\alpha ~(\eta =1/9)\), \(\beta _{12}~(\eta =1/6)\) и \(\chi _3~ (\эта =1/5)\)10,11,12,13,14.

Помимо однослойных, большое внимание привлекли также двухслойные борофены. Ожидалось, что двухслойный борофен будет более стабильным, чем монослойный борофен, благодаря межслоевому связыванию15. На сегодняшний день проведено множество теоретических и экспериментальных работ по теме различных двухслойных аллотропов борофена и их свойств15,16,17,18. Более того, еще предстоит найти ответы на различные вопросы. Например, теоретические исследования показали, что межслоевое расстояние двухслойного борофена находится в диапазоне 2,5–3 Å, что указывает на ван-дер-ваальсово (vdW) взаимодействие между слоями19,20,21. Однако синтезированные двухслойные борофены имеют гораздо меньшее межслоевое расстояние, около 2 Å, что предполагает относительно прочные ковалентные связи22,23. Однако в некоторых теоретических исследованиях рассматривались некоторые ограничения для создания двухслойных борофенов с межслоевым расстоянием, аналогичным эксперименту16,24. Энергии образования и дисперсия фононов доказывают, что ограниченные модели более стабильны, чем полностью релаксированные модели.

В данной работе путем расчетов из первых принципов мы отвечаем, почему межслоевая связь в двухслойном борофене должна быть ковалентной и при каких условиях это происходит. Сначала мы исследуем двухслойный \(\beta _{12}\) борофен без ограничения межслоевого расстояния, или «релаксированную модель». После этого, применяя ограничение межслоевого расстояния, мы достигаем структуры, более похожей на экспериментальные наблюдения, называемой «предпочтительной моделью». Эта модель, имеющая одну ковалентную межслоевую связь в каждой элементарной ячейке, более выгодна, чем релаксированная модель. Интересно, что при приложении сжимающей деформации к релаксированной модели происходит переход к предпочтительной модели и между слоями образуются ковалентные связи. Другими словами, мы предполагаем, что предпочтительная модель — это не что иное, как расслабленная модель при сжатии.