아주 최근에, 보로펜(원자-얇은 2차원 붕소 시트)이 증착에 의해 Ag(111) 표면에 성공적으로 합성되었습니다. 두 종류의 구조가 발견되었습니다. 그러나 금속 기판에서 성장한 단층 붕소 시트의 식별과 다른 2D 붕소 시트의 안정성에 대해서는 논란이 있습니다. 첫 번째 원리 계산을 수행하여 본 연구는 금속 표면에서 가장 많이 성장한 붕소 시트, 즉 좌굴 삼각형 β12의 원자 구조, 안정성 및 전자적 특성을 조사합니다. 및 χ3 결정 격자의 종류. 우리의 결과는 세 개의 독립 시트 모두가 열역학적으로 불안정하고 모두 금속임을 보여줍니다. 반면에, 우리의 결과는 Ag(111) 기질이 이러한 시트를 안정화한다는 것을 나타냅니다. 또한 Ag(111) 표면에 있는 이러한 단원자 얇은 붕소 시트의 시뮬레이션된 STM 이미지는 실험 관찰을 잘 재현하고 성장한 붕소 시트를 명확하게 식별합니다.
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배경
그래핀의 발견 이후 2차원(2D) 재료는 고유한 물리적 특성과 차세대 전자 및 에너지 변환 장치에 대한 잠재적인 응용으로 인해 가장 활발한 나노 재료 중 하나가 되었습니다[1,2,3,4,5, 6,7]. 최근 2차원 붕소 나노구조의 종류가 발견되어 상당한 주목을 받고 있다[8,9,10,11,12,13,14,15,16,17,18,19,20,21]. 그러나 2D 붕소 시트가 매우 최근까지 실험적으로 실현될 수 있다는 증거는 없었습니다(Mannix et al. [22] 및 Feng et al. [23]은 원자 두께의 2D 붕소 시트를 실험적으로 구현하는 데 놀라운 발전을 이루었습니다. 확장된 2D 붕소 시트를 그래핀과 유사하게 "보로펜"이라고 합니다.
지난 20년 동안 수많은 2D 붕소 나노구조가 발견되었습니다[8,9,10,11,12,13,14,15,16,17,18,19,20,21]. 육각 시트와 삼각형 시트[20, 21], 좌굴된 삼각형 시트[8] 외에도 α와 같이 육각 구멍이 있는 기타 2D 붕소 시트 -시트 [9, 18], β -시트 [9, 18], γ -시트[19], g1/8 및 g2/15 시트[15]는 ab initio 계산에 의해 검사되었습니다. 육각형 공극을 갖는 삼각형 평면 붕소 격자가 더 안정적이라고 제안되었다[9]. 그리고 육각형 구멍의 패턴이 다른 삼각형의 다양한 붕소 층이 계산 및 실험 연구 그룹 [11, 13, 14, 15, 16]에 의해 보고되었습니다. 그러나 이러한 모든 단일 원자 얇은 붕소 층은 붕소의 3차원(3D) 벌크 상태보다 에너지가 높기 때문에 붕소의 2D 구조가 열역학적으로 불리하다는 의미입니다. 따라서 원자를 2D 경로로 유인하기 위해 3D 핵 생성 장벽을 억제하려면 충분히 "끈적끈적한" 기질이 필요합니다.
최근에 금속 및 금속 붕소화물 기판에 붕소 시트를 형성하는 것이 첫 번째 원칙 계산에 의해 조사되었습니다[24]. 이는 붕소 시트가 Ag(111) 및 Au(111) 표면에서 성장할 수 있음을 시사합니다. 또한 Piazza et al.의 [14] 연구는 B36 무리; 중앙 육각형 구멍이 있는 매우 안정적인 평면 클러스터인 것으로 나타났습니다[14]. 보다 최근에 두 그룹[22, 23]은 분자 빔 에피택시를 통해 순수한 붕소 공급원을 직접 증발시켜 은 표면에 원자 두께의 결정질 2D 붕소 시트를 성공적으로 합성했습니다.
Mannix et al. [22]는 고해상도 STM(Scanning Tunneling Microscopy) 특성화를 사용하여 은 기판에서 붕소 시트의 두 가지 별개의 상인 스트라이프 상과 균질 상을 발견했습니다. Feng et al. [23]은 또한 Mannix 등의 보고서에서 보고된 것과 매우 유사한 붕소 시트의 두 단계를 발견했으며 지그재그 열의 돌출부가 있는 균질 단계를 χ3로 설명했습니다. 붕소 시트의 격자. 반면에 스트라이프 단계에 대한 해석은 상당히 다릅니다. Mannix et al. [22]는 줄무늬 위상을 빈 공간이 없는 좌굴 삼각형 격자로 지정했습니다. 그러나 Feng et al. [23]은 스트라이프 위상을 β12라고 알려진 육각형 구멍의 평행 행을 표시하는 직사각형 격자로 제안했습니다. 시트.
이러한 2D 붕소 시트의 정확한 구성과 특성, 그리고 응용은 엄청난 주목을 받았습니다[19, 22, 24, 25]. 좌굴된 삼각형 보로펜은 안락 의자 방향을 따라 그래핀을 초과하는 높은 영 계수를 갖는 고도의 이방성 금속이라고 보고되었습니다[22]. Sun et al. 또한 좌굴된 삼각형 보로펜의 격자 열전도율이 강한 이방성임을 발견했습니다[26]. 또한, Gao et al. β12 보로펜 및 χ3 보로펜은 MgB2 외에 붕소의 또 다른 초전도상일 수 있습니다. 박막[27]. 그러나 β12의 열역학적 안정성은 보로펜 및 χ3 borophene은 논란의 여지가 있습니다[27, 28]. Gao et al.의 연구에 따르면 둘 다 β12 보로펜 및 χ3 보로펜은 안정하다[27]. 그러나 Penev et al. 둘 다 β12 보로펜 및 χ3 보로펜은 포논 스펙트럼의 G 포인트 근처에 가상 주파수를 가지고 있습니다[28].
실험적으로 달성 가능한 보로펜에 대한 더 나은 이해를 제공하기 위해 우리는 가능한 원자 구조와 안정성, 첫 번째 원리 계산을 수행하여 전자 특성을 체계적으로 조사했습니다. 결과는 β12 및 χ3 시트는 열역학적으로 불안정합니다. 또한 좌굴 삼각형 β12의 구성 및 χ3 시트는 모두 금속성 기능을 보여줍니다. 더욱이, 우리는 Ag(111) 표면에 있는 붕소의 독립형 및 에피택셜 단층에 대한 STM 이미지를 시뮬레이션했습니다. 버클이 있는 삼각형과 β12를 찾았습니다. Ag(111) 표면의 붕소 시트는 모두 스트라이프 상으로 보이지만 거의 차이가 없습니다.
계산 방법
계산은 밀도 함수 이론(DFT)에 기반한 비엔나 ab-initio 시뮬레이션 패키지(VASP)를 사용하여 수행됩니다[29, 30]. 전자-이온 상호작용 계산을 위해 영사기-증강파(projector-augmented-wave) 방법이 채택되었습니다[31, 32]. 그리고 전자 교환-상관 상호 작용은 Perdew-Burke-Ernzerhof(PBE) 기능을 사용하는 GGA(generalized gradient approximation)로 설명됩니다[33]. 파동 함수는 500eV의 에너지 차단으로 평면파 기반으로 확장되었습니다. 첫 번째 Brillion 영역은 버클이 있는 삼각형, β12에 대해 25 × 15 × 1, 15 × 9 × 1 및 11 × 11 × 1 k-mesh로 샘플링되었습니다. 및 χ3 각각의 보로펜 단계. 2D 붕소 시트를 시뮬레이션하기 위해 Z 방향을 따라 최소 20Å의 진공 공간이 포함되어 주기적 이미지 간의 상호 작용을 최소화합니다. 수렴 기준은 10
−5
으로 설정되었습니다. 자체 일관성 프로세스를 위한 두 이온 단계 사이의 eV. 각 원자에 가해지는 힘이 0.02eV Å
−1
미만이 될 때까지 모든 구조가 완전히 이완되었습니다. , 은 원자의 아래쪽 두 층이 고정되었습니다. Phonon 분산 스펙트럼은 PHONOPY 패키지[34]에서 구현된 유한 변위 방법을 사용하여 계산되었습니다.
STM 이미지는 Tersoff-Hamann 공식과 그 확장을 사용하여 시뮬레이션되었습니다[35]. 간단히 말해서 팁의 상태 밀도가 일정하다고 가정하면 STM 터널링 전류를 로컬 상태 밀도 \( \rho \left(\overrightarrow{r},E\right) \)로 근사할 수 있습니다. 다음 표현식이 있는 유일한 변수:
여기서 \( \rho \left(\overrightarrow{r},E\right) \)는 샘플 표면의 LDOS이고, \( {\psi}_i\left(\overrightarrow{r}\right) \)는 에너지 E가 있는 샘플 파동 함수 나 , 및 EF 페르미 에너지이다. \( \rho \left(\overrightarrow{r},E\right) \) 의 상태가 채워질 때 \( \rho \left(\overrightarrow{r},E\right) 를 참조하는 것도 일반적입니다. \) 상태의 전하 밀도로. 시뮬레이션된 STM 이미지는 계산된 전자 밀도를 기반으로 하는 정전류 모드를 사용하여 얻었습니다.
결과 및 토론
그림 1은 좌굴 삼각형 β12에 대한 계산 결과를 보여줍니다. 및 χ3 보로펜의 격자 구조. 한 원자의 얇은 평면 육각형 구조의 그래핀과 달리 좌굴 삼각형 보로펜은 한 격자 방향을 따라 좌굴을 나타냅니다. 한편, β12의 구조는 및 χ3 보로펜은 면외 좌굴이 없는 평면입니다. 그림 1a는 좌굴 삼각형 보로펜의 단위 셀에 두 개의 붕소 원자가 있음을 보여줍니다. 그리고 좌굴 삼각형 보로펜의 공간군은 Pmmn이다. 최적화된 격자 상수는 a입니다. =1.613 Å 및 b =2.866 Å, 이전의 이론 및 실험 결과와 잘 일치합니다[22]. β12 도 1b에 도시된 보로펜은 지그재그 방향을 따라 채워진 육각형과 비어 있는 육각형을 갖는다. 해당 공간 그룹은 P2mm입니다. 단위 셀에는 5개의 붕소 원자가 있습니다. 격자 상수는 a를 따라 2.916 및 5.075Å입니다. 그리고 b 지도. χ3의 단위 셀 보로펜은 4개의 붕소 원자와 4.448Å의 격자 상수를 갖는 마름모꼴입니다. 그 공간군은 C2mm이다. 표 1은 격자 상수에 대한 계산 결과를 나열하며 이전 결과[22, 23, 27, 36]와 잘 일치합니다.