二層ボロフェンにおける基板と積層の効果

Scientific Reports volume 12、記事番号: 13661 (2022) この記事を引用

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二層ボロフェンは、その優れた機械的および電子的特性により、最近大きな関心を集めています。 これらの二重層の層間相互作用は、理論的研究と実験的研究で異なって報告されています。 ここでは、第一原理計算により二重層 \(\beta _{12}\) ボロフェンを設計し、研究します。 我々の結果は、緩和したAA積層二重層の層間距離が約2.5Åであることを示し、ファンデルワールス層間相互作用を示唆しています。 しかし、これは以前の実験では裏付けられていないため、層間距離を制限することにより、実験記録に近い好ましいモデルを提案します。 この好ましいモデルは、各単位セル (単一柱) に 1 つの層間共有結合を持っています。 さらに、好ましいモデルは 2% 圧縮下の緩和モデルにほかならないと主張します。 さらに、Ag、Al、Au 基板上に 3 つの基板支持二重層を設計し、二重柱構造を実現しました。 その後、圧縮や基板を必要とせずに、緩和された形で共有結合を形成する AB スタッキングを調べます。 さらに、フォノン分散は、AA スタッキングとは異なり、AB スタッキングが自立型で安定であることを示しています。 続いて、AA および AB スタッキングの機械的特性を計算します。 AA および AB スタッキングの極限強度は、それぞれ 12% ひずみで 29.72 N/m、8% ひずみで 23.18 N/m です。 さらに、計算されたヤング率は、AA および AB スタッキングでそれぞれ 419 N/m および 356 N/m です。 これらの結果は、剛性とコンプライアンスの点で二層ボロフェンが二層 \(\hbox {MoS}_2\) よりも優れていることを示しています。 私たちの結果は、二層ボロフェン構造に関する将来の研究への道を開く可能性があります。

ボロフェンは、その卓越した電子的および機械的特性により、最近大きな関心を集めています1、2、3、4、5、6。 これは最軽量の 2D 材料であり、軽量ナノデバイスの有望な候補となっています 7、8、9。 さらに、ホウ素原子の電子欠損により複雑な結合が生じ、その結果、ボロフェンに多様な同素体が生じます。 これらの異なる位相は、中空六角形 (HH) のさまざまな配置と、対応する HH 濃度数 (一部の論文では \(\eta \) または \(\nu \) ) によって定義されます。 ボロフェンの最も興味深い相には、\(\alpha ~(\eta =1/9)\)、\(\beta _{12}~(\eta =1/6)\)、および \(\chi _3~ が含まれます(\eta =1/5)\)10,11,12,13,14。

単層ボロフェンに加えて、二層ボロフェンも大きな注目を集めています。 二層ボロフェンは、層間結合により単層ボロフェンよりも安定であると予想されました 15。 現在までに、さまざまな二重層ボロフェン同素体とその特性をテーマに、多くの理論的および実験的研究が行われてきました 15、16、17、18。 さらに、まだ答えるべきさまざまな疑問が残っています。 たとえば、理論的研究では、二層ボロフェンの層間距離が 2.5 ～ 3 Å の範囲であることが示唆されており、層間のファンデルワールス (vdW) 相互作用が示唆されています 19、20、21。 しかし、合成された二層ボロフェンは、層間距離が約 2 Å と非常に近く、比較的強い共有結合を示唆しています 22,23。 しかし、いくつかの理論的研究では、実験と同様の層間距離を持つ二層ボロフェンを設計するためにいくつかの制約を考慮しました 16,24。 形成エネルギーとフォノンの分散は、制約されたモデルが完全に緩和されたモデルよりも安定していることを証明しています。

この論文では、第一原理計算により、なぜ二層ボロフェンの層間結合が共有結合になるのか、またそれがどのような条件下で起こるのかを明らかにします。 まず、層間距離を制約せずに二層 \(\beta _{12}\) ボロフェン、つまり「緩和モデル」を調査します。 その後、層間距離の制約を適用することで、「推奨モデル」と呼ばれる実験観察により近い構造に到達します。 各単位セルに 1 つの層間共有結合があるこのモデルは、緩和モデルよりも有利です。 興味深いことに、緩和モデルに圧縮歪みを適用すると、優先モデルに移行し、層間に共有結合が形成されます。 言い換えれば、推奨モデルは圧縮下でのリラックスしたモデルに他ならないということを示唆します。