بخشی از مقاله
چکیده
ما از محاسبات نظریه تابعی چگالی و روش بستگی قوي براي مطالعه ساختار نواري سامانههاي دو لایه گرافین/ ششگوشی بورن- نیترید و دو لایه ششگوشی بورن - نیترید که در پایدارترین ساختار قرار دارند، استفاده کردیم. در این پژوهش، با استفاده از روش DFT میتوان پارامتر جهش و انرژيهاي جایگاهی دو لایه-هاي گرافین/ ششگوشی بورن- نیترید و ششگوشی بورن- نیترید، که میتواند براي محاسبات میکروسکوپی مانند خواص تونلزنی مورد استفاده قرار گیرد، را بدست آورد.
مقدمه
ساختار اتمی اعضاي بلورهاي دو- بعدي، میتواند خواص الکترونی و اپتیکی آنها را مشخص کند و ساخت این مواد براي انواع برنامههاي کاربردي مطلوب است. پیشرفتهاي اخیر در تحقیقات گرافین علاقهي زیادي در مورد مطالعه مواد دو- بعدي دیگر مانند ساختارهاي ششضلعی بورن- نیترید - - h-BN، را ایجاد کرده است. ساختار h-BN مشابه به ساختار گرافین است اما خواص فیزیکی آنها کاملاً از نوع کربنی خود متفاوت است.
خواص مناسب h-BN، از قبیل ضریب ديالکتریک پایین، هدایت حرارتی بالا، استحکام و پایداري حرارتی مطلوب، مقاوم به خوردگی و اکسیداسیون بالا و ساختار بلوري لایه لایه موجب شده است که در زمینههاي متعددي در صنعت کاربرد داشته باشد . در ساختار بلوري h-BN همانند گرافین، پیوند داخلی هر لایه از نوع گرافین و پیوند بین لایهها از نوع واندروالس میباشد. h-BN به علت تنظیمپذیر بودن شکاف انرژي الکترونیاش، که از لحاظ ساختاري نتیجهي اختلاف شکاف نواري بزرگ بین ششضلعی BN، ~5 eV، و گرافین با شکاف نواري صفر است، خواص الکترونی و اپتیکی بسیار جذابی را ارائه میدهد.
اخیراً لایههاي که - b+m,i,k - ششضلعی بورن- نیترید بوسیله آزمایشات امواج فرا صوت و تابش باریکهي الکترونی انرژي بالا از ذرات [1] BN، ساخته شده-اند. محاسبات اصول- اولیه بسیار کمی درباره خواص پاسخ اپتیکی از دو لایه h-BN وجود دارد، گرچه تعدادي از آزمایشات مربوطه، که از روشهاي اپتیکی براي مطالعه دو لایه h-BN استفاده می-کنند، توسعه داده شده است. هدف در این پژوهش علاوه بر بررسی ساختار الکترونی دو لایههاي h-BN، استفاده از روش DFT و روش بستگی قوي براي پارامتري کردن شاخص جهش و انرژيهاي جایگاهی لایههاي h-BN و گرافینh-BN/، که میتواند براي محاسبات میکروسکوپی مانند خواص تونلزنی مورد استفاده قرار گیرد، میباشد . همچنین روشهاي دیگري مبتنی بر توابع ونیر براي محاسبه دقیق این مقادیر ارائه شدهاند .[2] بنابراین، محاسبات اصول- اولیه درباره خواص الکترونی و پاسخ اپتیکی دو لایه گرافینh-BN / و دو لایه h-BN - شکل 1 - الف - - - د - - از علاقه زیادي به جامعه گرافین برخوردار است.
روش محاسبات
براي ساختار دو لایه گرافینh-BN /، اتمهایی از انواع مختلف در دو لایه، برهم منطبق هستند، به این معنی که اتم کربن در بالاي اتم بورن و اتم دیگر کربن در بالاي مرکز ششضلعی بورن- نیترید قرار دارند، همانطور که در شکل 1 - ج - و - د - نشان داده شده است و حالت انباشته شدن دو لایه BN مشابه با ساختار حجمی ششگوشی بورن- نیترید است [3-5]، به این معنی که اتمهاي بورن و نیتروژن از لایه اول بترتیب در بالاي اتم نیتروژن و در بالاي مرکز ششضلعی لایه دوم قرار دارند. همچنین شکل 1 - الف - و - ب - را ببینید.
در این پژوهش، محاسبات اصول اولیه بر اساس نظریه تابعی چگالی، با استفاده از بسته نرم افزاري کوانتوم- اسپرسو[7] 2 انجام و براي تعیین پتانسیل همبستگی- تبادلی از تقریب چگالی موضعی که توسط توسط پردیو و زانگر پارامتریزه شده، استفاده شده است. انرژي کل و سایر کمیتهاي مربوط به آن با استفاده از روش شبه-پتانسیل و روش موج تخت محاسبه شده است. از آنجا که محاسبات به روش خود سازگار و براي مجموعه معینی از نقاط k درون منطقه اول بریلوئن انجام میشود، لذا دقت و سرعت محاسبات بستگی شدیدي به انتخاب صحیح پارامترهایی نظیر تعداد نقاط k و انرژي قطع دارد.
براي دستیابی به دقت مناسب در محاسبات و کمینه کردن انرژي کل از نظریه هلمن- فاینمن تحت نمونه برداري از منطقه اول بریلوئن 16×16×1، بر پایه روش مونخورست- پک، و از انرژي قطع 600 eV براي هر دو لایه استفاده کردهایم. ثابت شبکه و مکانهاي اتمی را بطور کامل واهلش کرده تا بیشترین نیروي وارد بر هر اتم کمتر از 0.02 eV/Å شود و براي بهینهسازي حجم، 20Å خلأ، براي جلوگیري از اندرکنش بین لایههاي h-BN و گرافینh-BN /، استفاده شده است.
نتایج و بحث
در این بخش نتایج مربوط به انطباق ساختار نواري محاسبه شده از DFT، با نتایج محاسبه شده از TB، براي بدست آوردن پارامترهاي مربوط به خواص میکروسکوپی، را مورد بحث قرار میدهیم. بر این اساس در شکل 2 - الف - و - ب - ساختار نواري DFT و TB مربوط به دو لایه گرافین/ ششگوشی بورن- نیترید و دو لایه بورن- نیترید در راستاهاي تقارنی رسم شده است. شکل .2 مقایسه ساختار نواري بین محاسبات اصول اولیه و بستگی قوي براي دو لایههاي الف - ششگوشی بورن- نیترید و ب - گرافین/ ششگوشی بورن-نیترید. براي دو لایه بورن- نیترید، چهار پارامتر tB-N, εN, εB و t′ براي تنظیم کردن، نیاز است و براي دو لایه گرافین/ ششگوشی بورن-نیترید، شش پارامتر tB- N, tC-C, εC, εN, εB و t′ براي تنظیم کردن نیاز است.
