h-BN 시트의 성장과 관련된 공실 구조 조사

결과 및 토론

h의 삼각형 공석 -BN 시트

먼저, 단일 h의 여러 공석 크기를 고려했습니다. - 공실 구조의 크기 효과를 연구하기 위한 BN 시트. h의 N-종료 공석 구조 때문에 -BN 시트는 B 말단 구조보다 더 안정적인 구조입니다[3, 4], 우리는 주로 N 말단 삼각형 공석 구조에 중점을 둡니다. h의 공석 크기를 제어하려면 -BN 시트, 우리는 h에서 방출된 원자의 수를 증가시킵니다. -삼각형을 유지하는 BN 시트. 이완 후 B-종료된 공석 구조는 B 원자(여기에는 표시되지 않음) 사이의 약한 결합으로 정점 영역에서 작은 왜곡을 초래하는 반면 N-종료된 구조는 삼각형 공석의 정점에서 뚜렷한 변화를 보여줍니다. N-종단 삼각형 모양의 다양한 공석 크기 중에서 두 가지 유형의 최적화된(즉, 국부적으로 안정적인) 구조를 찾습니다. 하나는 원래의 h와 비교할 때 삼각형 공석의 정점에서 구조의 눈에 띄는 변화가 발견되지 않는 대칭 구조(N-symm으로 표시됨)입니다. -BN 시트, 반면 다른 하나는 h의 삼각형 구멍 공석의 모든 정점에서 N-N 결합을 나타내는 왜곡 구조(NN-결합으로 표시됨)입니다. -BN 시트.

B 독점의 경우(V_1B ) h -BN 시트, 최적화된 구조는 N-symm 구조인 하나의 구성만 보여줍니다. 삼각형 공극의 꼭짓점에 위치한 N 원자 사이의 강한 반발력으로 인해 N 원자 사이의 거리는 깨끗한 h 거리에 비해 증가합니다(2.66 Å). -BN sheet(2.48 Å)와 삼각형 vacancy의 가장자리에서 BN 결합 길이가 감소합니다.

삼각형 공석의 크기가 h일 때 -BN 시트가 증가하여 V_3B+1N 제공 및 V_6B+3N 구조, 여기서 V _{m B+n N} m으로 삼각형 공석을 나타냅니다. 누락된 B 원자 및 n N 원자가 없으면 최적화된 구조는 그림 1과 같이 N-symm 및 NN-결합 구조를 모두 가질 수 있습니다. 이러한 결과는 공석 구조에 대한 이전의 이론적 연구와 일치합니다[6].

a의 최적화된 공석 구조 V_3B+1N 그리고 b V_6B+3N N-symm 구조 및 c V_3B+1N 그리고 d V_6B+3N NN 결합 구조로 파란색 및 핑크 볼 는 각각 B 및 N 원자를 나타냅니다. 줄거리 b 옆 그리고 d V_6B+3N 평면에 투영된 스핀 밀도의 차이입니다. 구조

V_6B+3N보다 더 큰 공실 크기의 최적화된 구조 구조는 단 하나의 구성, 즉 NN 결합 구조를 나타냅니다. 이러한 큰 공공구조는 작은 공공구조에 비해 삼각형 형태의 가장자리 길이가 더 길며, 이는 큰 공공구조에서 공공홀 주변의 BN 결합이 공공홀 정점에서 NN 결합 형성의 영향을 덜 받는다는 것을 의미한다(따라서 B와 N 원자 사이의 결합 길이는 vacancy 구조의 가장자리에서 거의 동일하게 유지됩니다. 삼각형 공석의 꼭짓점에 있는 N 원자 사이의 계산된 결합 길이와 두 가지 유형의 공석 구조의 상대 에너지가 표 1에 나와 있습니다. N-N 결합 길이와 상대 에너지는 공석의 크기에 따라 다릅니다. N-symm 구조와 NN 결합 구조 사이의 상대 에너지 차이는 삼각형 공공 구조의 크기가 커질수록 감소합니다. 대조적으로, B-종결된 공석 구조는 크기에 관계없이 정점에서 약한 B-B 결합을 갖는 하나의 구조일 뿐입니다(표 1 참조).

공극 구조의 계산된 총 자기 모멘트는 공극 크기, 말단 원자 및 최적화된 구조에 따라 다릅니다(표 1 참조). N-symm 구조에서 μ 단위의 자기 모멘트 값 _나 이 N 원자는 h에서 원자가 누락되고 B-N 결합이 끊어진 후 댕글링 결합이 있기 때문에 삼각형 공석 구조의 가장자리에 위치한 질소 원자의 수와 같습니다. -BN 시트. 그러나 다양한 공공 크기를 갖는 N-N 결합 구조의 총 자기 모멘트는 삼각형 공공 구조의 꼭짓점에서 N-N 결합(호모폴라 시그마 결합)이 형성되기 때문에 N-symm 구조의 총 자기 모멘트와 다른 것으로 계산됩니다. V_3B+1N에 대한 총 자기 모멘트 , V_6B+3N 및 V_10B+6N 공석의 정점에 N-N 결합이 있는 구조는 0, 3 및 6 μ입니다. _{나 ,} 각기. 그림 1b, d는 V_6B+3N의 스핀 밀도 차이를 보여줍니다. N-symm(M =9 μ _나 ) 및 N-N 결합(M =3μ _나 ) 구조입니다.

빈 구멍의 가장자리 영역에서 BN 쌍이 누락됨

다음으로, 실험에서 삼각형의 공공 구조의 가장자리에서 B와 N 원자의 결손을 통해 공공 구멍 구조의 크기가 확장되는 것이 관찰되었기 때문에 N-종단 공공 구조에서 BN 쌍 결손 상황을 자세히 조사하였다[14 ]. 또한 공석이 커지면 h에서 삼각형 모양을 유지하는 것으로 보고되었습니다. -BN 시트, B 및 N 원자는 빈 구조의 가장자리면에서 쌍 또는 번들로 우선적으로 방출됩니다[15].

누락된 위치에 따른 빈 구조의 안정성을 연구하기 위해 h의 슈퍼셀 크기를 늘립니다. -BN sheet 최대 15 × 15 unit cell 및 V_15B+10N과 같은 더 큰 vacancy size 획득 및 V_21B+15N . 이러한 공석에 대한 최적화된 완화는 단 하나의 안정적인 원자 구성, 즉 NN-결합 구성을 초래한다는 것이 발견되었습니다. 정점에서의 N-N 결합 길이와 총 자기 모멘트는 표 1에 나와 있습니다. 우리는 큰 N-종단 V_21B+15N을 선택합니다. 더 많은 누락된 위치를 고려하기 위해 슈퍼셀에 포함된 삼각형 공석 구조(그림 2a). 그림 2a와 같이 V_21B+15N의 가장자리에서 누락된 BN 쌍의 가능한 위치의 수 공석 구조는 6입니다. 다른 위치에서 BN 쌍이 누락된 vacancy 구조의 완화 후, 우리는 그림 2b-g와 같이 누락된 위치에 따라 최적화된 구조의 차이를 찾습니다. 최적화된 구조는 누락된 위치에 따라 세 가지 유형으로 나뉩니다. 모서리 누락(1 및 6), 모서리 누락(2 및 5), 중간 누락(3 및 4) 위치.

a의 최적화된 구조 V_21B+15N BN 쌍 및 b의 누락 가능성이 있는 공석 구조 –지 V_22B+16N 특정 위치에서 누락된 BN 쌍 이후의 공석 구조. 점선 원 a에 번호 매기기 BN 쌍 누락의 가능한 위치를 나타냅니다. 1에서 6까지 번호가 매겨진 위치는 b로 표시됩니다. 코너-1, c 얼굴 1, d 얼굴 2, e 얼굴 3, f face-4 및 g 모서리 2 누락된 구조, 각각

삼각형 공석 구조의 가장자리에서 하나의 BN 쌍이 누락된 후 최적화된 구조는 왜곡된 BN 고리에서 BN 결합 길이가 약간 더 짧은 누락된 위치 근처에서 재구성된 BN 육각형 열린 고리를 보여줍니다. 이것은 B와 N 원자 사이의 상호 작용이 더 강해지고 B-N 결합에서 전자 전하 분포의 배열을 변경한다는 것을 의미합니다. 모서리 1 누락 구조(누락 번호 1)는 그림 2b와 같이 왜곡된 BN 개방 링 영역을 제외하고는 거의 변경되지 않았습니다.

다른 구조(2-6번이 누락됨)는 꼭짓점에 N 이량체가 있는 그림 2c를 제외하고 그림 2d-g에 표시된 것처럼 가장자리에 오각형 모양을 가진 하나의 N 이량체가 있는 것으로 나타났습니다. 즉, 결손 위치 근처의 N 원자는 결손으로 인해 댕글링 결합을 가지며 N 이량체를 형성합니다(그림 2d-g 참조). 각 구조에서 N 이량체의 존재는 안정성과 자기 특성에 영향을 미칩니다. V_21B+15N에서 얻은 BN 쌍 누락 구조의 상대 에너지 및 총 자기 모멘트를 계산합니다. 표 2에 나열된 공석 구조.

상대적 에너지를 기반으로 하여 누락된 위치가 삼각형 가장자리의 중심에 가까워질 때 BN 쌍 누락 구조의 안정성이 증가함을 발견했습니다(표 2 참조). 최적화된 공석 구조의 가장자리에서 종료된 N 원자에 의해 발생하는 계산된 총 자기 모멘트는 누락된 위치에 따라 다릅니다. 모서리가 없는 두 구조의 자기 모멘트는 동일합니다(M =12μ _나 ). 누락된 후 종료된 N 원자의 수는 모서리 누락 구조에서 13개이며, 이는 자기 모멘트 M를 줄 수 있습니다. =13μ _나 . 그러나 왜곡된 BN 열린 고리에서 N 원자의 자기 모멘트는 위에서 언급한 전하 분포의 재배열로 인해 사라진다. 다른 구조의 자기 모멘트는 누락된 지점 근처에 위치한 재구성된 BN 개방 링 및/또는 N 이량체의 존재로 인해 누락된 위치에 따라 다릅니다. 그림 3은 BN 쌍이 누락된 후 얻은 최적화된 구조의 스핀 밀도를 보여줍니다. 이러한 스핀 밀도에서 우리는 표 2에 나열된 자기 모멘트가 어디에서 왔는지 알 수 있습니다.

스핀 밀도(ρ_{스핀 업} -ρ_스핀다운 ) BN 쌍 누락의 최적화된 구조에 대한 분포. 노란색 및 하늘색 등가면은 각각 스핀 밀도의 양수 및 음수 값을 나타냅니다.

누락된 위치에 따라 최적화된 구조 간의 차이를 정확하게 분석하기 위해 6개의 BN 쌍 누락 구조 중 3가지 구성(corner-1, face-2, face-3)을 선택하고 전자 밀도 상태(DOS)를 계산합니다. DOS 플롯에서 결함 상태는 깨끗한 h 밴드 갭 내부에 있습니다. -BN 시트, 그림 4와 같이 원시 h의 가전자대 최대값과 전도대 최소값 -BN 시트는 각각 VBM 및 CBM으로 표시됩니다. 로컬 DOS(LDS) 플롯에서 회색 음영 영역과 빨간색 실선은 각각 BN 쌍이 누락되기 전과 후 공석 구조의 N 원자의 LDOS를 나타냅니다. 특히 LDOS 플롯에서 가장자리 N 원자의 상태는 페르미 준위를 중심으로 집중되어 있습니다. DOS 및 LDOS 플롯에서 볼 수 있듯이 가장자리 N 원자의 스핀 상태는 비대칭적인 특징을 보여줍니다. 그림 4a의 모서리 1 누락 구조는 DOS 및 LDOS 플롯의 -0.5 ~ 1.0eV 범위에 있는 N 원자의 댕글링 본드 상태를 보여줍니다. 눈에 띄게 가장자리 면 영역에만 국한된 댕글링 본드 상태는 대부분 스핀에서 비롯됩니다. - LDOS의 다운 상태(LDS 플롯에서 3에서 6까지 번호가 매겨진 피크 위치와 관련된 스핀 밀도 플롯 참조). 두 개의 면이 없는 구조의 LDOS 플롯(그림 4b, c)에서 스핀다운 상태뿐만 아니라 가장자리 N 원자의 스핀업 상태도 근처 가장자리 면 영역에만 국한된 댕글링 결합 상태로 나타납니다. 페르미 준위(−0.5~1.0 eV). 즉, 이러한 스핀업 및 스핀다운 플롯은 그림 4b의 LDOS 플롯에서 3에서 6까지의 피크 위치와 그림 4c의 LDOS 플롯에서 2에서 5까지의 피크 위치와 관련이 있습니다. 반면에, 모든 BN-쌍 결손 구조는 에너지 밴드 갭을 갖는다. 밴드 갭은 모서리 1, 면 2, 면 3 누락 구조에 대해 각각 약 0.35, 0.24, 0.36eV입니다.

V_21B+15N의 최적화된 구조에 대한 총 DOS, 가장자리 N 원자의 LDOS 및 페르미 레벨 근처의 스핀 밀도 플롯 BN 쌍이 누락된 공석 구조:a 모서리-1 누락, b face-2 누락 및 c face-3 누락된 구조. 밝은 노란색 전체 DOS에서 음영 처리된 영역은 원시 h의 가전자대 및 전도대 영역을 나타냅니다. -BN 시트, 각각. 회색 음영 및 빨간색 실선 기능은 삼각형 가장자리에서 누락된 BN 쌍 전후의 N 원자의 LDOS입니다. 공석 구조