home Productietechnologie Fabricage-apparatuur
Industriële fabricage
Industrieel internet der dingen | Industriële materialen | Onderhoud en reparatie van apparatuur | Industriële programmering |
home  MfgRobots >> Industriële fabricage >  >> Industrial materials >> Nanomaterialen

Adsorptie van overgangsmetalen op zwarte fosforen:een onderzoek naar de eerste beginselen

Abstract

Zwart fosforeen is een nieuw tweedimensionaal materiaal met unieke eigenschappen en brede toepassingen. Met behulp van eerste-principeberekeningen hebben we het adsorptiegedrag van 12 verschillende overgangsmetalen (TM's; Fe, Co, Ni, Cu, Ru, Rh, Pd, Ag, Os, Ir, Pt en Au) op fosforeen onderzocht. Onze resultaten toonden aan dat alle adsorptiesystemen een grote bindingsenergie hebben. De Fe-, Co- en Au-fosforeensystemen geven magnetische toestanden weer met magnetische momenten van 2, 1 en 0,96 μ B , wat betekent dat deze systemen magnetische halfgeleiders zijn. Adsorptie van zuurstofmoleculen op TM-fosforeen werd ook onderzocht. Interessant is dat alle O2 -(TM-fosforeen) systemen, behalve O2 -(Pd-fosforeen), kan de O–O-binding verlengen, wat cruciaal is voor hun toepassing als katalysatoren bij de oxidatie van CO. We hebben ook gevonden dat de adsorptie van O2 moleculen maken de O2 . mogelijk -(Fe-, Ni-, Cu-, Ir-, Rh-, Ag- en Au-fosforeen) systemen om magnetische halfgeleiders te worden, en het maakt O2 mogelijk -(Co-fosforeen) om de halfmetaaltoestand weer te geven. Onze resultaten zullen naar verwachting belangrijke implicaties hebben voor op fosforeen gebaseerde katalyse en spintronica.

Achtergrond

Fosforeen [1,2,3], een monolaag van fosforatomen gerangschikt in een gebobbelde honingraatstructuur, heeft unieke eigenschappen waaronder een direct halfgeleidend karakter [4], ultrahoge mobiliteit bij kamertemperatuur [4,5,6], superieure mechanische flexibiliteit [7], en hoge thermo-elektrische prestaties [8,9,10]. Deze eigenschappen maken fosforeen een zeer geschikt materiaal voor een verscheidenheid aan toepassingen zoals veldeffecttransistoren [1, 11,12,13,14,15,16], Li- en Na-ionbatterijen [17,18,19], zonnecellen [20, 21], fotokatalysatoren [22], spintronica [23] en gassensoren [24,25,26]. Fosforeen is echter een niet-magnetisch materiaal en er moeten enkele strategieën worden gevolgd om de toepassing ervan te verbreden.

Voor tweedimensionale (2D) materialen wordt adsorptie meestal gekozen als de benadering om magnetisme te induceren voor specifieke toepassingen. Eerder hebben Cao et al. [27] toonde aan dat de elektronische en magnetische eigenschappen van grafeen effectief kunnen worden gemoduleerd door adatoms van Fe, Co, Ni en Cu. Kaloni et al. [28] toonde aan dat magnetische momenten kunnen worden geïnduceerd in Ti-, V-, Cr-, Mn-, Fe- en Co-versierde siliceensystemen met behulp van eerste-principeberekeningen. Ersan et al. [29] ontdekte dat b -Arseen vertoonde spin-gepolariseerde karakters na adsorptie van H-, B-, C-, P-, Ge-, As- en Sb-atomen. Verder, w -Arseen kan netto magnetische momenten bereiken met de adatoms van H, B, N, P, Cl, Ti, As en Sb. Voor zwarte fosforeen, Kulish et al. [30] voorspelde dat Ag-, Au-, Ti-, V-, Cr-, Mn-, Fe- en Co-fosforeen vrij stabiel zijn en dat in theoretische berekeningen een breed scala aan magnetische momenten kan worden geïnduceerd. Bovendien kunnen de eigenschappen van verschillende soorten ladingsdragers ook worden afgestemd door verschillende atomen op fosforeen te adsorberen. Ding en Wang [31] gebruikten de eerste-principeberekeningen om systematisch de structurele, elektronische en magnetische eigenschappen van atomen geadsorbeerd op fosforeen te illustreren. Ze merkten op dat adatoms magnetisme kunnen introduceren in fosforeen, waarbij P-, Co- en Au-adatoms stabiele magnetische eigenschappen induceren. Hu en Hong [32] gebruikten de eerste-principeberekeningen om de magnetische eigenschappen van metaaladatomen op fosforeen aan te tonen; ze toonden aan dat magnetisme kan worden verkregen in fosforeen door Cr-, Fe-, Co- of Au-atomen op het oppervlak te adsorberen. Bovendien voorspelden ze dat het Fe-fosforeen-adsorptiesysteem een ​​veelbelovend verdund magnetisch halfgeleidend materiaal zal zijn. Zo kan worden verwacht dat de adsorptie van overgangsmetalen (TM's) op zwart fosforeen de magnetische eigenschappen van het materiaal effectief afstemt.

Hoewel de bovenstaande onderzoeken het adsorptiegedrag van overgangsmetalen op zwart fosforeen hebben bestudeerd, blijven enkele problemen onopgelost. Eerdere studies waren bijvoorbeeld vooral gericht op de eigenschappen van 3D-TM's geadsorbeerd op fosforeen. Hoe zullen 4d en 5d TM's de eigenschappen van fosforeen ontwikkelen? Bovendien kunnen op fosforeen geabsorbeerde edelmetalen ook als katalysatoren met één atoom worden gebruikt. Li et al. [33] suggereerde dat siliceen met geadsorbeerd Au een hoogactieve katalysator kan zijn met lage katalytische energiebarrières voor de oxidatie van CO. Kan een op fosforeen geabsorbeerd edelmetaal ook een goede kandidaat zijn voor de oxidatie van CO? Om deze vragen te beantwoorden, presenteren we in dit artikel de resultaten van een gedetailleerde eerste-principestudie naar de structurele, magnetische en elektronische eigenschappen van 12 verschillende soorten overgangsmetaalatomen geadsorbeerd op zwart fosforeen. We selecteerden elementair Fe, Co en Ni, die ferromagnetische metalen zijn in hun bulkfase; elementair Cu, dat diamagnetisch is; en de edele metalen Ru, Rh, Pd, Ag, Os, Ir, Pt en Au, die zeer effectief zijn voor de oxidatie van CO [19, 34,35,36,37,38,39,40,41,42 ,43,44,45]. We ontdekten dat fosforeen sterke bindingen aangaat met alle 12 metalen en dat alle TM-fosforeensystemen vrij robuust zijn. De elektronische en magnetische eigenschappen van fosforeen kunnen effectief worden afgestemd door de adatoms. Bovendien hebben we ook ontdekt dat de meeste TM-fosforeenadsorptiesystemen goede kandidaten zijn voor de katalysator bij de oxidatie van CO. De resultaten van dit onderzoek kunnen worden gebruikt voor fundamentele studies van fosforeen, en ze kunnen ook de potentiële toepassing ervan op veel belangrijke gebieden verbreden. .

Methoden/experimenteel

Onze berekeningen waren gebaseerd op spin-gepolariseerde dichtheidsfunctionaaltheorie (DFT), en ze werden uitgevoerd met behulp van het Vienna Ab Initio Simulation Package (VASP) [46, 47] en de gegeneraliseerde gradiëntbenadering (GGA) van de Perdew-Burke-Ernzerhof ( PBE) functioneel [48,49,50]. De DFT-D3-methode van Grimme [51] werd gebruikt om de van der Waals-interactie te berekenen. Er werd een energiegrenswaarde van 400 eV gebruikt met een vlakke golfbasisset. In de berekeningen werden de atomen ontspannen totdat de totale energie convergeerde naar 1 × 10 −5 eV en de restkracht op elk atoom was minder dan 0,01 eV/Å. Een grote supercel (4 × 3) langs de zigzag- en fauteuilrichtingen werd gebruikt om interacties tussen aangrenzende eenheidscellen te voorkomen. De roosterconstanten waren ingesteld op a = 13.20 Å en b = 13,74 Å. We hebben een vacuümruimte van 20 Å toegepast in de z richting om de interacties tussen aangrenzende tussenlagen te minimaliseren. Tijdens de optimalisatie wordt een Monkhorst-Pack [52] k -puntraster van 3 × 3 × 1 werd aangenomen, en een k -puntenraster van 7 × 7 × 1 werd gebruikt voor de totale energieberekeningen.

Resultaten en discussie

We hebben eerst de structurele eigenschappen van ongerept fosforeen onderzocht. Figuur 1a toont de illustraties van het boven- en zijaanzicht van de kristalstructuur. Het is te zien dat de fosforeenmonolaag uit twee atomaire vlakken bestaat en dat de eenheidscel van fosforeen uit vier P-atomen bestaat. De fosforeenmonolaag heeft een tetragonaal rooster met evenwichtsroosterconstanten a = 3.30 Å en b = 4,58 Å. De lengte van de P–P binding in horizontale richting (l 1 ) is 2,22 Å, terwijl de lengte in de andere richting (l 2 ) is 2,26 Å. Het ongerepte fosforeen heeft een directe bandgap van 0,89 eV (figuur 1b), waarbij zowel het geleidingsbandminimum (CBM) als het valentiebandmaximum (VBM) zich op het Г-punt bevinden. De roosterconstante en de bandgap die we hebben verkregen, komen in hoge mate overeen met de waarden die zijn verkregen in eerdere onderzoeksstudies [30,31,32, 53].

een Boven- en zijaanzichten van de kristalstructuur van ongerept fosforeen (4 × 3 × 1 supercel). De blauwe cirkels vertegenwoordigen typische posities van een onzuiverheidsatoom geadsorbeerd op een holle plek (H), op een brug (B) tussen twee fosforatomen en bovenop een fosforatoom (T). b Elektronische bandstructuur en eerste Brillouin-zone van ongerept fosforeen; het Fermi-niveau staat op nul

Een typisch adaatoom wordt altijd geadsorbeerd op een van de drie posities:boven een holle plaats (H), op een brug (B) tussen twee fosforatomen en bovenop een fosforatoom (T). We hebben de adsorptie-energie van een adatom op fosforeen berekend om de stabiliteit van de adsorptiesystemen te onderzoeken met behulp van de relatie:

$$ {E}_{\mathrm{ad}}=\left({E}_{\mathrm{TM}}+{E}_{\mathrm{fosforeen}}\right)-{E}_{\ mathrm{TM}-\mathrm{phosphoreen}} $$ (1)

waar E TM is de energie van een geïsoleerd metaalatoom, E fosforeen is de totale energie van de ongerepte fosforeenlaag, en E TM-fosforeen is de totale energie van het adsorptiesysteem. Op basis van deze vergelijking duidt een grotere adsorptie-energie op een stabielere structuur. We ontdekten dat alle metaalatomen die in ons werk zijn bestudeerd liever op de H-plaats van fosforeen blijven. De berekende adsorptie-energieën van metaalatomen geadsorbeerd op de H-plaats van fosforeen, weergegeven in tabel 1, variëren van 2 tot 6 eV. De bindingslengte van TM-fosforeen (d TM-P ) bleek kort te zijn, in het bereik van 2,11-2,43 Å. Analyse van Bader-ladingen [54.55.56] laat zien dat 0.16, 0.16, 0.07, 0.17, 0.32, 0.33 en 0.16|e| worden overgebracht van respectievelijk de Ru-, Rh-, Pd-, Os-, Ir-, Pt- en Au-metaalatomen naar fosforeen in de (4d-TM)-fosforeen- en (5d-TM)-fosforeenadsorptiesystemen. Al deze resultaten duiden op de vorming van chemische bindingen tussen het TM-adatom en fosforeen. Bovendien liggen deze resultaten dicht bij recente studies [30,31,32].

Zoals weergegeven in tabel 1, vertonen de Ni-, Cu-, Ru-, Rh-, Pd-, Ag-, Os-, Ir- en Pt-fosforeensystemen niet-magnetische toestanden, terwijl de Fe-, Co- en Au -fosforeensystemen hebben de magnetische momenten van 2, 1 en 0,96 μ B , respectievelijk. De spin-gepolariseerde ladingsdichtheid (ρ = ρ spin-up − ρ spin-down ) wordt ook getoond in Fig. 2 om de oorsprong en distributie van magnetisme in de magnetische TM-fosforeenadsorptiesystemen te onderzoeken. Het magnetische moment is in elk van deze gevallen voornamelijk afkomstig van het adatom, met een klein magnetisch moment van de naaste buren. Verder zijn de berekende bandstructuren van de Fe-, Co- en Au-fosforeensystemen weergegeven in figuur 2. Het is te zien dat deze systemen allemaal magnetische halfgeleiders zijn met bandafstanden van respectievelijk 0,38, 0,22 en 0,06 eV. die handig zijn voor spintronische toepassingen.

Spindichtheden van de a Fe-fosforeen, b Co-fosforeen en c Au-fosforeensystemen staan ​​in de bovenste rij; de corresponderende bandstructuur van elk systeem wordt getoond in de onderste rij. De zwarte en rode bollen vertegenwoordigen respectievelijk P- en TM-atomen. In de bovenste rij een grafiek van de spin-gepolariseerde ladingsdichtheid met een iso-oppervlaktewaarde van de ladingsdichtheid van 0,002 e/Å 3 is gesuperponeerd op de boven- en zijaanzichten van de kristalstructuur van ongerept fosforeen voor elk van de TM-fosforeensystemen; de gele en cyaan gebieden komen respectievelijk overeen met de opwaartse en neerwaartse spins. In de grafiek van bandstructuren (onderste rij) geven de zwarte en rode lijnen respectievelijk spin-up en spin-down kanalen aan; het Fermi-niveau is ingesteld op nul en wordt aangegeven door de grijze stippellijn

Vervolgens bestudeerden we het adsorptiegedrag van O2 bovenop het TM-atoom in de TM-fosforeensystemen. Twee typische energie-laagste configuraties voor de adsorptie van O2 op TM-fosforeensystemen (O2 -(TM-fosforeen)) worden getoond in Fig. 3. Voor O2 -(Fe-fosforeen), O2 -(Co-fosforeen), O2 -(Cu-fosforeen), O2 -(Pd-fosforeen), en O2 -(Pt-fosforeen) systemen, de O2 molecuul is evenwijdig aan de zigzagrichting van fosforeen (figuur 3a), met een OP-bindingslengte van respectievelijk 1,84 Å, 1,86 Å, 2,04 Å, 2,18 Å en 2,05 . Voor de O2 -(Ni-fosforeen), O2 -(Ru-fosforeen), O2 -(Rh-fosforeen), O2 -(Ag-fosforeen), O2 -(Os-fosforeen), O2 -(Ir-fosforeen), en O2 -(Au-fosforeen) -systemen, bevindt het molecuul zich in de zigzagrichting van fosforeen (figuur 3b), onder een bepaalde hoek vanaf het oppervlak. Ondertussen zijn de twee aangrenzende O-atomen rond het TM-adaatoom niet equivalent. De resultaten worden weergegeven in Tabel 2. De adsorptie-energie (E advertentie ) van O2 op een O2 -(TM-fosforeen) systeem werd berekend als:

$$ {E}_{\mathrm{ad}}={E}_{\mathrm{TM}-\mathrm{fosforeen}}}+{E}_{{\mathrm{O}}^2}-{E }_{{\mathrm{O}}^2-\mathrm{TM}-\mathrm{fosforeen}} $$ (2)

waarbij \( {E}_{{\mathrm{O}}^2-\mathrm{TM}-\mathrm{fosforeen}} \), E TM-fosforeen , en \( {E}_{{\mathrm{O}}^2} \) zijn de totale energieën van de O2 -(TM-fosforeen) systeem, het TM-fosforeen systeem en het O2 molecuul resp. Zoals weergegeven in tabel 2 zijn de adsorptie-energieën 2,659, 1,850, 0,970, 0,906, 2,402, 1,548, 0,001, 0,786, 3,109, 1,980, 0,416 en 1,029 eV voor de O2 -(Fe-fosforeen), O2 -(Co-fosforeen), O2 -(Ni-fosforeen), O2 -(Cu-fosforeen), O2 -(Ru-fosforeen), O2 -(Rh-fosforeen), O2 -(Pd-fosforeen), O2 -(Ag-fosforeen), O2 -(Os-fosforeen), O2 -(Ir-fosforeen), O2 -(Pt-fosforeen), en O2 -(Au-fosforeen) systemen, respectievelijk. In alle gevallen zijn de grote adsorptie-energieën behalve die van de O2 -(Pd-fosforeen) systeem geeft aan dat O2 wordt chemisch geabsorbeerd.

Boven- en zijaanzichten van typische adsorptieplaatsen van een O2 molecuul op TM-fosforeen. De zwarte, roze en gele bollen vertegenwoordigen respectievelijk P-, TM- en O-atomen

Het wordt redelijk erkend dat de verlenging van de O-O-binding cruciaal is voor zowel Langmuir-Hinshelwood- als Eley-Rideal-mechanismen van een katalysator bij de oxidatie van CO [57]. Over het algemeen geldt:hoe langer de O-O-bindingslengte, hoe gemakkelijker de katalysatorreactie. De lengtes van de O–O- en TM-O-bindingen in elk systeem worden ook weergegeven in Tabel 2. Het is duidelijk dat de O-O-binding toeneemt van 1,23 Å voor de ongerepte O2 molecuul tot respectievelijk 1,38, 1,36, 1,32, 1,35, 1,40, 1,34, 1,32, 1,30, 1,46, 1,39, 1,40 en 1,32 Å voor het geadsorbeerde molecuul, mogelijk omdat O2 is een elektronenacceptor. Verder is de bindingslengte van TM-O in de meeste O2 -(TM-fosforeen) systemen zijn kort door de interactie tussen O2 en de TM-atomen. Deze bindingslengte varieert van 1,84 tot 2,19 en resulteert in de vorming van chemische bindingen. In het bijzonder is de O-O-binding verlengd tot 1,40 Å, de hoogste waarde onder de systemen, in de geadsorbeerde O2 molecuul op het Pt-fosforeensysteem. Het Pt-fosforeensysteem is dus heel geschikt als katalysator voor de oxidatie van CO omdat het waarschijnlijk het hoge katalytische vermogen heeft.

Om meer inzicht te krijgen in het onderliggende mechanisme van de hoge activiteit van deze systemen, hebben we gekozen voor O2 -(Pt-fosforeen) als voorbeeld en onderzocht de lokale toestandsdichtheid (LDOS). Afbeelding 4a toont de LDOS geprojecteerd op d-orbitalen van Pt in het Pt-fosforeensysteem, d-orbitalen van Pt in de O2 -(Pt-fosforeen) systeem, de O–O binding in de O2 -(Pt-fosforeen) systeem, en de gasfase O2 . In het bovenste paneel van Fig. 4a is één piek te zien bij E F − 0,6 eV, afkomstig van de gedeeltelijk bezette d-orbitaal van Pt in het Pt-fosforeensysteem. Deze toestanden zouden verantwoordelijk moeten zijn voor de hoge activiteit van het Pt-fosforeensysteem. Na de adsorptie van een O2 molecuul, wordt de LDOS die op d-orbitalen van Pt onder het Fermi-niveau wordt geprojecteerd, teruggeschakeld na de adsorptie van de O2 molecuul vanwege de ladingsoverdracht, en de toestanden boven het Fermi-niveau worden ook aanzienlijk verhoogd. Ondertussen projecteerde de LDOS op de geadsorbeerde O2 molecuul geeft aan dat de O2 2π * orbitalen (laagste onbezette moleculaire orbitaal, LUMO) worden gedeeltelijk bezet, wat is teruggeschoven van de gaswaarde van E F + 2 eV naar E F − 0,1 eV. Ter verduidelijking, het verschil in ladingsdichtheid van de O2 -(Pt-fosforeen) systeem wordt ook gepresenteerd.

een Lokale dichtheid van toestanden (LDOS) van Pt en O2 moleculen in Pt-fosforeen en O2 -Pt-fosforeensystemen en gasfase O2 , respectievelijk. b Verschil in ladingsdichtheid in de O2 -(Pt-fosforeen) systeem; het gele gebied (d.w.z. + 0,002 e/Å 3 ) en het cyaangebied (d.w.z. − 0,002 e/Å 3 ) corresponderen met respectievelijk de toename en het verlies van de elektronendichtheid

Het verschil in ladingsdichtheid wordt als volgt gedefinieerd:

$$ {\varDelta}_{\rho }={\rho}_T-{\rho}_{\mathrm{molecule}}-{\rho}_{\mathrm{absorbed}} $$ (3)

waar ρ T , ρ molecuul , en ρ geabsorbeerd zijn de totale kosten op de O2 -(Pt-fosforeen) systeem, O2 molecuul en respectievelijk het Pt-fosforeensysteem. Zoals weergegeven in Fig. 4b, is het grote gele gebied gelokaliseerd op de O2 molecuul geeft aan dat er een significante elektronenoverdracht is van Pt-fosforeen naar O2 , wat ook wijst op de sterke orbitale hybridisatie tussen O2 en het Pt-fosforeensysteem. Volgens de Bader-ladingsanalyse [54.55.56], 0.19|e| wordt overgebracht van het Pt-fosforeensysteem naar de O2 molecuul. Daarom vult de grote ladingsoverdracht de antibindende toestanden van de O2 molecuul en verzwakt de O-O-binding aanzienlijk. Evenzo kan het onderliggende mechanisme van de hoge activiteit van andere systemen ook worden begrepen door de ladingsoverdracht tussen de O2 molecuul en het TM-fosforeensysteem. De ladingsanalyse van Bader [54.55.56] toonde inderdaad aan dat ladingen van -0,68, -0,50, -0,42, -0,52, -0,46, -0,24, -0,24, -0,37, -0,53, -0,25, -0,19 en − 0.09|e| worden overgedragen van TM-fosforeen naar het zuurstofmolecuul in de O2 -(Fe-fosforeen), O2 -(Co-fosforeen), O2 -(Ni-fosforeen), O2 -(Cu-fosforeen), O2 -(Ru-fosforeen), O2 -(Rh-fosforeen), O2 -(Pd-fosforeen), O2 -(Ag-fosforeen), O2 -(Os-fosforeen), O2 -(Ir-fosforeen), O2 -(Pt-fosforeen), en O2 -(Au-fosforeen) systemen, respectievelijk.

Ten slotte bestudeerden we de magnetische eigenschappen van O2 -(TM-fosforeen) systemen. De magnetische momenten van de O2 -(TM-fosforeen)-systemen worden weergegeven in Tabel 3. De O2 -(Ni-fosforeen), O2 -(Cu-fosforeen), O2 -(Rh-fosforeen), O2 -(Ag-fosforeen), en O2 -(Ir-fosforeen) systemen hebben magnetische momenten van 2,00, 1,00, 1,00, 1,14 en 1,00 μ B , die allemaal het gevolg zijn van de adsorptie van een paramagnetische O2 molecuul. De spin-gepolariseerde ladingsdichtheid van deze O2 -(TM-fosforeen) systemen worden weergegeven in Fig. 5. Voor de O2 -(Fe-fosforeen) en O2 -(Co-fosforeen) systemen, wordt aangenomen dat het magnetische moment voornamelijk voortkomt uit het overgangsmetaalatoom en de O2 molecuul. Integendeel, voor de O2 -(Ni-fosforeen), O2 -(Cu-fosforeen), O2 -(Rh-fosforeen), O2 -(Ag-fosforeen), O2 -(Ir-fosforeen), en O2 -(Au-fosforeen) systemen, het magnetische moment komt voornamelijk van de O2 molecuul. Deze hypothesen komen overeen met de resultaten die worden weergegeven in tabel 3. Om beter te begrijpen hoe de adsorptie van een gasmolecuul de elektronische structuur van de O2 beïnvloedt -(TM-fosforeen) systeem, werden de elektronische bandstructuren van elk systeem berekend en de resultaten worden getoond in Fig. 5. Eerst ontdekten we dat er een vlakke band optreedt rond het Fermi-niveau (E F ) na de adsorptie van O2 molecuul in alle systemen, die voornamelijk uit de O2 molecuul. Voor de O2 -(Fe-fosforeen), O2 -(Co-fosforeen), O2 -(Ni-fosforeen), O2 -(Cu-fosforeen), O2 -(Rh-fosforeen), O2 -(Ir-fosforeen), O2 -(Ag-fosforeen), en O2 -(Au-fosforeen) systemen, de kanalen voor spin-up en spin-down split onthullen de magnetische eigenschappen. De O2 -(Fe-fosforeen), O2 - (Ni-fosforeen), O2 -(Cu-fosforeen), O2 -(Ir-fosforeen), O2 -(Rh-fosforeen), O2 -(Ag-fosforeen), en O2 -(Au-fosforeen) vertonen magnetisch halfgeleidend gedrag, met een aanzienlijke bandgap behalve de O2 -(Co-fosforeen) systeem, waarvan werd onthuld dat het half-metaalachtig was. Deze resultaten suggereren dat de systemen potentieel hebben voor toepassing in op fosforeen gebaseerde spintronica.

Spindichtheden van de a O2 -(Fe-fosforeen), b O2 -(Co-fosforeen), c O2 -(Ni-fosforeen), d O2 -(Cu-fosforeen), e O2 -(Ir-fosforeen), f O2 -(Rh-fosforeen), g O2 -(Ag-fosforeen), en h O2 -(Au-fosforeen) systemen staan ​​in de bovenste rij; de bijbehorende bandenstructuur van elk systeem wordt in de onderste rij getoond. In de bovenste rij een grafiek van de spin-gepolariseerde ladingsdichtheid met een iso-oppervlaktewaarde van de ladingsdichtheid van 0,002 e/Å 3 is gesuperponeerd op de boven- en zijaanzichten van de kristalstructuur van ongerept fosforeen; de gele en cyaan gebieden komen respectievelijk overeen met op- en neerwaartse spins. In de grafieken van bandstructuren duiden de zwarte en rode lijnen respectievelijk spin-up en spin-down kanalen aan; het Fermi-niveau is ingesteld op nul en wordt aangegeven door de grijze stippellijn

Conclusies

We onderzochten de structurele, elektronische en magnetische eigenschappen van verschillende TM-fosforeensystemen. Alle adatomen bleken de voorkeur te geven aan de holle plaats op fosforeen. De aanzienlijke adsorptie-energie laat zien dat alle TM-fosforeenadsorptiesystemen vrij robuust zijn, wat aangeeft dat fosforeen sterke bindingen vormt met alle 12 soorten TM-adatomen. Verder vonden we dat doping met Fe, Co en Au kan resulteren in magnetische halfgeleidende eigenschappen in monolaag fosforeen, met totale magnetische momenten van 2, 1 en 0,96 μ B , respectievelijk.

Daarnaast hebben we ook gekeken naar de eigenschappen van een O2 molecuul geadsorbeerd op het TM-fosforeensysteem. Het was erg bemoedigend om te ontdekken dat alle O2 -(TM-fosforeen) systemen, behalve O2 -(Pd-fosforeen), vertonen een goede katalytische activiteit voor de oxidatie van CO dankzij de verlenging van de O-O-binding. De O2 -(Fe-fosforeen), O2 -(Ni-fosforeen), O2 -(Cu-fosforeen), O2 -(Rh-fosforeen), O2 -(Ag-fosforeen), O2 -(Ir-fosforeen), en O2 -(Au-fosforeen) systemen vertonen spin-gepolariseerde halfgeleidende eigenschappen met magnetische momenten van 2,00, 2,00, 1,00, 1,00, 1,14, 1,00 en 1,00 μ B . De O2 -(Co-fosforeen) vertoont magnetische halfmetalen eigenschappen, met een magnetisch moment van 2,00 μ B . Daarom kunnen onze resultaten nieuwe mogelijkheden bieden voor het toepassen van fosforeen op het gebied van katalyse en spintronica.

Afkortingen

2D:

Tweedimensionaal

B:

Brug

GGA:

Gegeneraliseerde gradiëntbenadering

H:

Holle plek

LDOS:

Lokale dichtheid van staten

PBE:

Perdew-Burke-Ernzerh

T:

Top van een fosforatoom

TM:

Overgangsmetaal


Nanomaterialen

  • Metaal
  • Hars
  • vezel
  • Samengesteld materiaal
  • Nanomaterialen
  • Polymeer materialen
  • Biologie
  • kleurstof
  • Kruiden
    1. Relaisconstructie
    2. Elektromagnetisme
    3. videoband
    4. Magneet
    5. Diskette
    6. Soorten magnetometers
    7. Nanodiamanten voor magnetische sensoren
    8. Nanocluster om magnetische plasmonen te geleiden
    9. Percolatiemagnetisme in ferro-elektrische nanodeeltjes
    10. First-Principles Study on the Stability and STM Image of Borophene
    11. Interactie-effecten bij de assemblage van magnetische nanodeeltjes