Investigasi Struktur Lowongan Terkait dengan Pertumbuhannya di h-BN Sheet

Hasil dan Diskusi

Lowongan Segitiga di h -Lembaran BN

Pertama, kami telah mempertimbangkan beberapa ukuran lowongan h . tunggal -BN sheet untuk mempelajari efek ukuran dari struktur lowongan. Karena struktur kekosongan yang diakhiri N dari h -BN sheet adalah struktur yang lebih stabil daripada yang diakhiri B [3, 4], kami terutama fokus pada struktur kekosongan segitiga yang diakhiri dengan N. Untuk mengontrol ukuran lowongan h -BN sheet, kami meningkatkan jumlah atom yang dikeluarkan di h -BN sheet mempertahankan bentuk segitiga. Struktur kekosongan yang diakhiri B setelah relaksasi menghasilkan distorsi kecil di wilayah puncaknya dengan ikatan lemah antara atom B (tidak ditampilkan di sini) sedangkan struktur yang diakhiri N menunjukkan perubahan yang berbeda pada simpul kekosongan segitiganya. Di antara ukuran kekosongan yang berbeda dari bentuk segitiga yang diakhiri dengan N, kami menemukan dua jenis struktur yang dioptimalkan (yaitu, stabil secara lokal). Salah satunya adalah struktur simetris (dilambangkan sebagai N-symm) di mana tidak ada perubahan nyata dari struktur pada titik kekosongan segitiga yang ditemukan jika dibandingkan dengan yang asli h Lembaran -BN, sedangkan yang lainnya adalah struktur distorsi (dilambangkan sebagai ikatan-NN) yang menunjukkan ikatan N-N di semua simpul kekosongan lubang segitiga di h -Lembaran BN.

Dalam kasus B monovacancy (V_1B ) di h -BN sheet, struktur yang dioptimalkan hanya menunjukkan satu konfigurasi yaitu struktur N-symm. Karena gaya tolak menolak yang kuat antara atom N yang terletak di titik kekosongan segitiga, jarak antara atom N meningkat (2,66 Å) dibandingkan dengan jarak murni h -Lembaran BN (2,48 Å) dan panjang ikatan B-N di tepi kekosongan segitiga berkurang.

Ketika ukuran kekosongan segitiga h -BN sheet ditingkatkan menjadi V_3B+1N dan V_6B+3N struktur, di mana V _{m B+n N} mewakili kekosongan segitiga dengan m kehilangan atom B dan n kehilangan atom N, struktur yang dioptimalkan dapat memiliki struktur N-symm dan ikatan NN, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 1. Hasil ini sesuai dengan studi teoretis sebelumnya untuk struktur kekosongan [6].

Struktur lowongan yang dioptimalkan dari a V_3B+1N dan b V_6B+3N dengan struktur N-symm dan c V_3B+1N dan d V_6B+3N dengan struktur ikatan NN. Biru dan bola merah muda mewakili atom B dan N, masing-masing. Di samping kavling b dan d adalah perbedaan densitas putaran yang diproyeksikan pada bidang V_6B+3N struktur

Struktur yang dioptimalkan dari ukuran lowongan yang lebih besar daripada V_6B+3N struktur hanya mewakili satu konfigurasi, yaitu, struktur ikatan NN. Struktur vacancy yang besar ini memiliki panjang tepi yang lebih panjang dari bentuk segitiga daripada struktur vacancy kecil, yang berarti bahwa ikatan BN di sekitar lubang vacancy kurang terpengaruh oleh pembentukan ikatan NN pada vertex vacancy hole dalam struktur vacancy yang besar (dan dengan demikian panjang ikatan antara atom B dan N tetap hampir sama di tepi struktur kekosongan). Panjang ikatan yang dihitung antara atom N pada simpul kekosongan segitiga dan energi relatif dari dua jenis struktur kekosongan diberikan pada Tabel 1. Kami menemukan bahwa panjang ikatan N-N dan energi relatif bergantung pada ukuran kekosongan. Perbedaan energi relatif antara N-symm dan struktur ikatan NN berkurang dengan meningkatnya ukuran struktur kekosongan segitiga. Sebaliknya, struktur kekosongan yang diakhiri B ternyata hanya satu struktur dengan ikatan B-B yang lemah di puncaknya terlepas dari ukurannya (lihat Tabel 1).

Momen magnetik total yang dihitung dari struktur kekosongan bervariasi tergantung pada ukuran kekosongan, atom yang dihentikan, dan struktur yang dioptimalkan (lihat Tabel 1). Dalam struktur N-symm, nilai momen magnet dalam satuan μ _B sama dengan jumlah atom nitrogen yang terletak di tepi struktur kekosongan segitiga karena atom N ini memiliki ikatan yang menjuntai setelah kehilangan atom dan pemutusan ikatan B-N di h - lembar BN. Namun, momen magnetik total struktur ikatan N-N dengan berbagai ukuran kekosongan dihitung berbeda dari struktur N-symm karena pembentukan ikatan N-N (ikatan sigma homopolar) pada simpul struktur kekosongan segitiga. Momen magnet total untuk V_3B+1N , V_6B+3N , dan V_10B+6N struktur dengan ikatan N-N pada titik kekosongan adalah 0, 3, dan 6 μ _{B ,} masing-masing. Gambar 1b, d menunjukkan perbedaan densitas putaran untuk V_6B+3N struktur dengan N-symm (M = 9 μ _B ) dan ikatan N-N (M = 3μ _B ) struktur, masing-masing.

Pasangan BN Hilang di Daerah Tepi Lubang Kosong

Selanjutnya, kami telah menyelidiki situasi hilangnya pasangan BN dalam struktur kekosongan yang diakhiri dengan N secara rinci karena ukuran struktur lubang kekosongan diamati diperluas melalui hilangnya atom B dan N di tepi struktur kekosongan segitiga dalam percobaan [14 ]. Juga dilaporkan bahwa ketika lowongan tumbuh mempertahankan bentuk segitiga di h -Lembaran BN, atom B dan N dikeluarkan secara istimewa dengan pasangan atau bundel dari permukaan tepi struktur kekosongan [15].

Untuk mempelajari stabilitas struktur kekosongan tergantung pada posisi yang hilang, kami meningkatkan ukuran sel super h -BN sheet hingga 15 × 15 unit sel dan dapatkan ukuran lowongan yang lebih besar seperti V_15B+10N dan V_21B+15N . Ditemukan bahwa relaksasi yang dioptimalkan untuk lowongan tersebut menghasilkan hanya satu konfigurasi atom yang stabil, yaitu konfigurasi ikatan NN. Panjang ikatan N-N pada simpul dan momen magnet total ditunjukkan pada Tabel 1. Kami memilih V_21B+15N yang diakhiri N besar struktur kekosongan segitiga yang tertanam di supercell untuk mempertimbangkan lebih banyak posisi yang hilang (Gbr. 2a). Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 2a, jumlah kemungkinan posisi pasangan BN yang hilang di tepi V_21B+15N struktur kekosongan adalah enam. Setelah relaksasi struktur kekosongan dengan pasangan BN yang hilang pada posisi yang berbeda, kami menemukan perbedaan dalam struktur yang dioptimalkan tergantung pada posisi yang hilang seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2b–g. Struktur yang dioptimalkan dibagi menjadi tiga jenis tergantung pada posisi yang hilang; sudut hilang (1 dan 6), sudut hilang dekat (2 dan 5), dan posisi hilang tengah (3 dan 4).

Struktur a . yang dioptimalkan V_21B+15N struktur kekosongan dengan kemungkinan posisi yang hilang dari pasangan BN dan b –g V_22B+16N struktur kekosongan setelah pasangan BN hilang pada posisi tertentu. Lingkaran putus-putus dengan penomoran dalam a mewakili kemungkinan posisi pasangan BN yang hilang. Posisi dengan nomor 1 sampai 6 dilambangkan sebagai b pojok-1, c wajah-1, d wajah-2, e wajah-3, f wajah-4, dan g struktur sudut-2 hilang, masing-masing

Setelah satu pasangan BN hilang di tepi struktur kekosongan segitiga, struktur yang dioptimalkan menunjukkan cincin terbuka heksagonal BN yang direkonstruksi di dekat posisi yang hilang di mana panjang ikatan BN pada cincin BN yang terdistorsi sedikit lebih pendek; ini berarti interaksi antara atom B dan N menjadi lebih kuat dan mengubah susunan distribusi muatan elektron pada ikatan B-N. Struktur sudut-1 yang hilang (nomor 1 tidak ada) hampir tidak berubah kecuali daerah cincin terbuka BN yang terdistorsi seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 2b.

Ditemukan bahwa struktur lain (tidak ada penomoran 2–6) memiliki satu dimer N dengan bentuk pentagonal di tepinya, ditunjukkan pada Gambar.2d–g, kecuali Gambar.2c dengan dimer N yang terletak di puncak. Artinya, atom N di dekat posisi yang hilang memiliki ikatan yang menjuntai karena hilang dan membentuk dimer N (lihat Gambar 2d–g). Kehadiran dimer N di setiap struktur mempengaruhi stabilitas dan sifat magnetiknya. Kami menghitung energi relatif dan momen magnetik total dari struktur hilang pasangan BN yang diperoleh dari V_21B+15N struktur lowongan, yang tercantum dalam Tabel 2.

Berdasarkan energi relatif, kami menemukan bahwa stabilitas struktur yang hilang pasangan BN meningkat ketika posisi yang hilang semakin dekat ke pusat tepi segitiga (lihat Tabel 2). Momen magnetik total yang dihitung yang disebabkan oleh atom N terminasi di tepi struktur kekosongan yang dioptimalkan bergantung pada posisi yang hilang. Momen magnet dari dua sudut struktur yang hilang adalah sama (M = 12μ _B ). Setelah hilang, jumlah atom N yang diakhiri adalah 13 di sudut struktur yang hilang, yang mungkin memberikan momen magnet M = 13μ _B . Namun, momen magnetik atom N dalam cincin terbuka BN yang terdistorsi menghilang karena penataan ulang distribusi muatan seperti yang disebutkan di atas. Momen magnetik struktur lain bervariasi tergantung pada posisi yang hilang karena adanya cincin terbuka BN yang direkonstruksi dan/atau dimer N yang terletak di dekat titik yang hilang. Gambar 3 menunjukkan densitas putaran dari struktur yang dioptimalkan yang diperoleh setelah pasangan BN hilang. Dari kerapatan putaran ini, kita tahu dari mana momen magnet yang tercantum dalam Tabel 2 berasal.

Kepadatan putaran (ρ_{spin up} -ρ_berputar ) untuk struktur optimal dari pasangan BN yang hilang. Kuning dan biru muda isosurfaces masing-masing menunjukkan nilai positif dan negatif dari kepadatan putaran

Untuk analisis yang akurat dari perbedaan antara struktur yang dioptimalkan tergantung pada posisi yang hilang, kami memilih tiga konfigurasi (sudut-1, wajah-2, dan wajah-3) di antara enam pasangan struktur yang hilang dan menghitung kerapatan keadaan elektronik (DOS). Dalam plot DOS, status cacat terletak di dalam celah pita h murni -Lembaran BN, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 4, di mana pita valensi maksimum dan pita konduksi minimum murni h Lembar -BN ditunjukkan oleh VBM dan CBM, masing-masing. Dalam plot DOS (LDOS) lokal, daerah berbayang abu-abu dan garis merah solid menunjukkan LDOS atom N dari struktur kekosongan sebelum dan sesudah pasangan BN hilang, masing-masing. Terutama, keadaan atom tepi N terkonsentrasi di sekitar tingkat Fermi di plot LDOS. Seperti yang ditunjukkan dalam plot DOS dan LDOS, status putaran atom N tepi menunjukkan fitur asimetris. Struktur sudut-1 yang hilang pada Gambar. 4a menunjukkan status ikatan menjuntai dari atom N dalam kisaran 0,5 hingga 1,0 eV dari plot DOS dan LDOS:terlihat, status ikatan menjuntai yang terlokalisasi hanya di wilayah permukaan tepi sebagian besar berasal dari putaran -turun status LDOS (lihat plot kepadatan putaran yang terkait dengan posisi puncak bernomor 3 hingga 6 dalam plot LDOS). Dalam plot LDOS dari dua struktur tanpa muka (Gbr. 4b, c), tidak hanya keadaan spin-down tetapi keadaan spin-up dari atom N tepi juga muncul sebagai keadaan ikatan yang menjuntai yang terlokalisasi hanya di daerah muka tepi dekat tingkat Fermi (−0.5~1.0 eV). Artinya, plot spin-up dan spin-down ini terkait dengan posisi puncak bernomor 3 hingga 6 dalam plot LDOS pada Gambar 4b dan yang bernomor 2 hingga 5 pada plot LDOS pada Gambar 4c. Di sisi lain, semua struktur yang hilang dari pasangan BN memiliki celah pita energi. Celah pita masing-masing sekitar 0,35, 0,24, dan 0,36 eV untuk struktur yang hilang pada sudut-1, muka-2, dan muka-3.

Total DOS, LDOS dari atom tepi N dan plot kerapatan putaran di dekat level Fermi untuk struktur V_21B+15N yang dioptimalkan struktur lowongan dengan BN-pair hilang:a pojok-1 hilang, b wajah-2 hilang, dan c wajah-3 struktur yang hilang. Cahaya kuning daerah yang diarsir dalam total DOS mewakili daerah pita valensi dan pita konduksi dari h murni -BN lembar, masing-masing. abu-abu fitur garis padat berbayang dan merah adalah LDOS atom N sebelum dan sesudah pasangan BN hilang di tepi segitiga struktur lowongan