Onderzoek naar leegstandsstructuren gerelateerd aan hun groei in h-BN-blad

Resultaten en discussie

Driehoekige vacature in h -BN-blad

Ten eerste hebben we rekening gehouden met verschillende vacaturegroottes van enkele h -BN-fiche om het grootte-effect van leegstandsstructuren te bestuderen. Omdat N-beëindigde vacaturestructuur van h -BN-plaat heeft een stabielere structuur dan B-beëindigde [3, 4], we richten ons voornamelijk op N-beëindigde driehoekige leegstandstructuren. Vacaturegroottes van u beheren -BN-blad, we verhogen het aantal uitgeworpen atomen in h -BN plaat met behoud van de driehoekige vorm. De B-terminated vacaturestructuren na relaxatie resulteren in kleine vervorming in hun topgebied met zwakke binding tussen B-atomen (hier niet getoond), terwijl de N-terminated structuren een duidelijke verandering vertonen op de hoekpunten van hun driehoekige vacature. Onder verschillende leegstandsgrootten van N-terminated driehoekige vorm, vinden we twee soorten geoptimaliseerde (d.w.z. lokaal stabiele) structuren. Een daarvan is een symmetrische structuur (aangeduid als N-symm) waarin geen merkbare verandering van structuur op de top van driehoekige leegstand wordt gevonden in vergelijking met de ongerepte h -BN-blad, terwijl de andere een vervormingsstructuur is (aangeduid als NN-binding) die N-N-bindingen toont op alle hoekpunten van leegstaande driehoekige gaten in h -BN-blad.

In het geval van B monovacature (V_1B ) over u -BN-blad, de geoptimaliseerde structuur toont slechts één configuratie die de N-symm-structuur is. Vanwege de sterke afstotende kracht tussen N-atomen die zich op het hoekpunt van driehoekige leegstand bevinden, neemt de afstand tussen N-atomen toe (2,66 Å) vergeleken met die van ongerepte h -BN-blad (2,48 Å) en B-N-bondlengtes aan de rand van de driehoekige leegstand nemen af.

Wanneer de grootte van driehoekige leegstand van h -BN-blad wordt verhoogd om V_3B+1N . te geven en V_6B+3N structuren, waarbij V _{m B+n N} staat voor een driehoekige vacature met m ontbrekende B-atomen en n ontbrekende N-atomen, kunnen de geoptimaliseerde structuren zowel N-symm- als NN-bindingsstructuren hebben, zoals weergegeven in Fig. 1. Deze resultaten komen overeen met de eerdere theoretische studie voor de vacaturestructuren [6].

Geoptimaliseerde vacaturestructuren van a V_3B+1N en b V_6B+3N met N-symm structuur en c V_3B+1N en d V_6B+3N met NN-binding structuur. Blauw en roze ballen vertegenwoordigen respectievelijk B- en N-atomen. Naast percelen b en d zijn de verschillen in de spindichtheid geprojecteerd op het vlak van de V_6B+3N structuren

De geoptimaliseerde structuur van grotere leegstand dan die van V_6B+3N structuur vertegenwoordigt slechts één configuratie, d.w.z. een NN-bindingstructuur. Deze grote leegstandstructuur heeft de langere randlengte van driehoekige vorm dan die van kleine leegstandstructuur, wat betekent dat de BN-bindingen rond het leegstandsgat minder worden beïnvloed door de vorming van NN-binding op toppunt van leegstandsgat in grote leegstandsstructuren (en dus de bindingslengten tussen B- en N-atomen blijven nagenoeg gelijk aan de rand van de leegstandsstructuur). Berekende bindingslengten tussen N-atomen op de hoekpunten van driehoekige vacatures en relatieve energieën van twee soorten vacaturestructuren worden gegeven in Tabel 1. We vinden dat de N-N bindingslengten en relatieve energieën afhangen van de grootte van vacatures. Het verschil in relatieve energieën tussen N-symm- en NN-bindingsstructuren neemt af naarmate de driehoekige leegstandstructuur groter wordt. Daarentegen blijken de leegstandstructuren met B-terminus slechts één structuur te zijn met een zwakke B-B-binding aan de top, ongeacht hun grootte (zie tabel 1).

De berekende totale magnetische momenten van leegstandstructuren variëren afhankelijk van de leegstandsgrootte, beëindigde atomen en geoptimaliseerde structuren (zie tabel 1). In de N-symm structuren, de waarde van het magnetische moment in eenheden van μ _B is gelijk aan het aantal stikstofatomen dat zich aan de rand van driehoekige leegstandsstructuren bevindt, omdat deze N-atomen bungelende bindingen hebben na het missen van atomen en het verbreken van B-N-bindingen in de h -BN blad. Het totale magnetische moment van N-N-bindingsstructuren met verschillende leegstandsgrootten wordt echter berekend als verschillend van die van N-symm-structuren vanwege de vorming van de N-N-bindingen (homopolaire sigma-binding) op hoekpunten van driehoekige leegstandsstructuren. De totale magnetische momenten voor de V_3B+1N , V_6B+3N , en V_10B+6N structuren met N-N bindingen op de top van de vacature zijn 0, 3 en 6 μ _{B ,} respectievelijk. Afbeelding 1b, d toont het verschil in spindichtheden voor de V_6B+3N structuren met N-symm (M = 9 μ _B ) en N-N binding (M = 3μ _B ) structuren, respectievelijk.

BN-paar ontbreekt in de randregio van Vacature Hole

Vervolgens hebben we de ontbrekende situatie van het BN-paar in N-beëindigde leegstandstructuren in detail onderzocht, omdat werd waargenomen dat de grootte van leegstandsgatstructuren werd vergroot door het missen van B- en N-atomen aan de rand van driehoekige leegstandstructuren in het experiment [14] ]. Er werd ook gemeld dat wanneer de vacatures groeien, de driehoekige vorm behouden blijft in h -BN-plaat, B- en N-atomen worden bij voorkeur met paren of bundels uit het randvlak van leegstandstructuren [15] geworpen.

Om de stabiliteit van leegstandstructuren te bestuderen, afhankelijk van de ontbrekende positie, vergroten we de supercelgrootte van h -BN blad tot 15 × 15 eenheidscel en verkrijg de grotere vacaturegrootte zoals V_15B+10N en V_21B+15N . Het is gebleken dat de geoptimaliseerde relaxaties voor die vacatures resulteren in slechts één stabiele atomaire configuratie, d.w.z. de NN-bindingsconfiguratie. De N-N bindingslengtes op de hoekpunten en de totale magnetische momenten worden getoond in Tabel 1. We selecteren een grote N-terminated V_21B+15N driehoekige vacaturestructuur ingebed in de supercel om meer ontbrekende posities te overwegen (figuur 2a). Zoals weergegeven in figuur 2a, is het aantal mogelijke posities van het BN-paar dat ontbreekt aan de rand van V_21B+15N leegstandsstructuur zes. Na relaxatie van de vacaturestructuur waarbij BN-paar op verschillende posities ontbreekt, vinden we het verschil in de geoptimaliseerde structuren afhankelijk van de ontbrekende posities zoals weergegeven in de figuur 2b-g. De geoptimaliseerde structuren zijn onderverdeeld in drie typen, afhankelijk van de ontbrekende posities; hoek ontbreekt (1 en 6), bijna hoek ontbreekt (2 en 5) en middelste ontbrekende (3 en 4) posities.

Geoptimaliseerde structuren van a V_21B+15N vacaturestructuur met mogelijk ontbrekende posities van BN-pair en b –g V_22B+16N vacaturestructuren nadat een BN-paar op specifieke posities ontbreekt. De gestippelde cirkels met nummering in a vertegenwoordigen mogelijke posities van ontbrekend BN-paar. De posities met nummering 1 t/m 6 worden aangeduid als b hoek-1, c face-1, d gezicht-2, e gezicht-3, f face-4 en g hoek-2 ontbrekende structuren, respectievelijk

Nadat één BN-paar ontbreekt aan de rand van de driehoekige leegstandstructuur, toont de geoptimaliseerde structuur gereconstrueerde BN hexagonale open ring nabij de ontbrekende positie waarin de B-N-bindingslengten aan de vervormde BN-ring iets korter zijn; dit betekent dat de interacties tussen B- en N-atomen sterker worden en de rangschikking van de elektronenladingsverdeling in de B-N-bindingen veranderen. De hoek-1 ontbrekende structuur (ontbrekende nummering 1) is bijna ongewijzigd, behalve het gebied van vervormde BN open ring zoals weergegeven in figuur 2b.

Het is gebleken dat andere structuren (ontbrekende nummering 2-6) één N-dimeer hebben met een vijfhoekige vorm aan de rand, getoond in Fig. 2d-g, behalve Fig. 2c met N-dimeer op het hoekpunt. Dat wil zeggen, de N-atomen in de buurt van de ontbrekende positie hebben de bungelende binding vanwege het ontbreken en vormen het N-dimeer (zie figuur 2d-g). De aanwezigheid van het N-dimeer in elke structuur beïnvloedt de stabiliteit en magnetische eigenschappen ervan. We berekenen de relatieve energieën en totale magnetische momenten van ontbrekende BN-paarstructuren verkregen uit V_21B+15N vacaturestructuur, die wordt weergegeven in Tabel 2.

Op basis van de relatieve energieën vinden we dat de stabiliteit van de ontbrekende structuren van het BN-paar toeneemt wanneer de ontbrekende positie dichter bij het midden van de driehoeksrand komt (zie tabel 2). Berekende totale magnetische momenten veroorzaakt door beëindigde N-atomen aan de rand van geoptimaliseerde leegstandstructuren hangen af ​​van de ontbrekende positie. De magnetische momenten van twee ontbrekende hoekstructuren zijn hetzelfde (M = 12μ _B ). Na het missen is het aantal beëindigde N-atomen 13 in de hoek ontbrekende structuren, wat het magnetische moment M zou kunnen geven = 13μ _B . Het magnetische moment van een N-atoom in de vervormde BN open ringen verdwijnt echter als gevolg van de herschikking van de ladingsverdeling zoals hierboven vermeld. De magnetische momenten van andere structuren variëren afhankelijk van de ontbrekende posities vanwege de aanwezigheid van een gereconstrueerde BN-open ring en/of N-dimeer in de buurt van het ontbrekende punt. Figuur 3 toont de spindichtheden van geoptimaliseerde structuren die zijn verkregen nadat BN-paar ontbreekt. Uit deze spindichtheden weten we waar de magnetische momenten in tabel 2 vandaan komen.

De spindichtheid (ρ_spin-up -ρ_{naar beneden draaien} ) distributies voor de geoptimaliseerde structuren van BN-paar ontbreken. Geel en lichtblauw isosurfaces geven respectievelijk de positieve en negatieve waarden van spindichtheden aan

Voor nauwkeurige analyse van verschillen tussen geoptimaliseerde structuren, afhankelijk van de ontbrekende posities, selecteren we drie configuraties (corner-1, face-2 en face-3) uit zes ontbrekende structuren van BN-paar en berekenen we hun elektronische toestandsdichtheid (DOS). In de DOS-plots bevinden de defecttoestanden zich binnen de bandgap van de ongerepte h -BN-blad, zoals weergegeven in Fig. 4, waar het maximum van de valentieband en het minimum van de geleidingsband van de ongerepte h -BN-bladen worden respectievelijk aangeduid met VBM en CBM. In de lokale DOS (LDOS)-grafiek geven de grijs gearceerde gebieden en de rode ononderbroken lijnen aan dat LDOS van N-atomen van de vacaturestructuren respectievelijk voor en na het ontbreken van BN-paar. Vooral de toestanden van rand N-atomen zijn geconcentreerd rond het Fermi-niveau in de LDOS-plot. Zoals getoond in de DOS- en LDOS-grafieken, tonen de spintoestanden van rand N-atomen de asymmetrische kenmerken. De hoek-1 ontbrekende structuur in figuur 4a toont bungelende bindingstoestanden van N-atomen in het bereik van -0,5 tot 1,0 eV van de DOS- en LDOS-plots:opmerkelijk is dat de bungelende bindingstoestanden die alleen in het randvlakgebied zijn gelokaliseerd, meestal afkomstig zijn van spin -down toestanden van LDOS (zie spindichtheidsgrafieken gerelateerd aan piekposities genummerd 3 tot 6 in LDOS-grafiek). In de LDOS-grafieken van twee aan het oppervlak ontbrekende structuren (Fig. 4b, c), verschijnen niet alleen de spin-down toestanden maar de spin-up toestanden van rand N-atomen ook als de bungelende bindingstoestanden die alleen gelokaliseerd zijn in het randvlakgebied nabij het Fermi-niveau (−0,5~1,0 eV). Dat wil zeggen, deze spin-up en spin-down-grafieken zijn gerelateerd aan piekposities genummerd 3 tot 6 in de LDOS-grafiek van Fig. 4b en die genummerd 2 tot 5 in de LDOS-grafiek van Fig. 4c. Aan de andere kant hebben alle ontbrekende structuren van het BN-paar de energiebandafstand. De bandhiaten zijn respectievelijk ongeveer 0,35, 0,24 en 0,36 eV voor de hoek-1, face-2 en face-3 ontbrekende structuren.

Totale DOS, LDOS van rand N-atomen en de spindichtheidsgrafieken nabij het Fermi-niveau voor de geoptimaliseerde structuren van V_21B+15N vacaturestructuur met ontbrekend BN-paar:a hoek-1 ontbreekt, b face-2 ontbreekt, en c face-3 ontbrekende structuren. Het licht geel gearceerde gebieden in totale DOS vertegenwoordigen de gebieden van valentiebanden en geleidingsbanden van de ongerepte h -BN-blad, respectievelijk. De grijze gearceerde en rode ononderbroken lijnen zijn LDOS van N-atomen voor en na BN-paar dat ontbreekt aan de rand van driehoekige vacaturestructuur