بخشی از مقاله
چکیده
با استفاده ازنظریهی تابعی چگالی با تقریب شیب تعمیم یافته، خواص الکترونی و اپتیکی نانو ورقهی ٍ penta-BN با هندسهی پنج ضلعیهای چسبیده بههم را بررسی کردهایم. در این مطالعه محاسبات مربوط به ساختار نواری، چگالی حالات و قسمت های حقیقی و موهومی تابع دی الکتریک، و ضریب شکست را انجام داده و نتایج را تجزیه و تحلیل کردهایم. محاسبات به کمک نرم افزار wien2k انجام شده است. ساختار رفتار فلزی داشته و همچنین نتایج محاسبات اپتیکی ناهمسانگردی و دوشکستی بودن ماده را نشان میدهد. نتایج به دست آمده میتواند در ساخت ادوات اپتوالکتریکی کاربرد داشته باشد.
مقدمه
امروزه، نانو ورقهها به دلیل خواص فیزیکی جالب، سهم قابل توجهی از پژوهشها را هم از لحاظ نظری و هم تجربی، به خود اختصاص داده اند .[1-3] از معروف ترین این ساختارها میتوان نانو ورقهی گرافن [4]، نیتریدهای فلزی [5] و غیره را نام برد که ساختار لانهزنبوری دارند. این مواد به روشهای مختلفی همچون لایه برداری شیمیایی، لایه نشانی با تبخیر شیمیایی، و سنتز گرمابی [6] در آزمایشگاه ساخته میشوند.
در سالهای اخیر نانو ورقههای با هندسه پنجضلعیهای چسبیده بههم ارائه شد که چشم انداز جدیدی در زمینهی نانومواد بهروی دانشمندان باز کرده است .[7] در سال 2014 ژانگ و همکارانش خواص ساختاری و ترابرد پنتاگرافن [8] که با لایه برداری از کربن ٌٍ[9 ] T حاصل میشود را مورد بررسی قرار دادند. آنها نشان دادند که پنتاگرافن نیمرسانایی با گاف ذاتی eVٍِ،َ است و برخلاف گرافن، احتیاجی به عاملدار کردن آن برای داشتن گاف نواری نیست.
علاوه بر این، پنتاگرافن سختی چشمگیری در مقایسه با گرافن [10] در برابر فشار از خود نشان میدهد. در سال 2015 نیز توسط همین گروه خواص ساختاری و همچنین ترابردی penta-CN بررسی شد. نانوورقهی پنج ضلعی ٍpenta-CN نسبت به ساختارهای دوبعدی نیتروژن دار در حوزه مواد غنی شدهی نیتروژنی غلظت نیتروژن بیشتری داشته و در نتیجه بههنگام تجزیه پیوندهای یگانه و تشکیل مولکولهای نیتروژن با پیوند سهگانه بین اتمهای انرژی بیشتری آزاد کرده و استفاده در مواد غنی شدهی نیتروژنی در حوزهی ساختارهای گرافیتی آلاییده شده که به عنوان سوخت کاربرد دارند، بسیار مناسب است .[11]
همچنین ترکیبات penta-BxNy نیز همچون ترکیبات نام برده شده دارای برتریهای ساختاری نسبت به ساختارهای لانه زنبوری برم نیتراید هستند .[12] بررسی طیف فونونی این مواد نشان میدهد فقط penta-BN و ٍpenta-BN فاقد مدهای مجازی بوده و از نظر دینامیکی پایدار میباشند .[13] در این تحقیق ابتدا ثابت شبکهی ساختار بهینه شد و سپس با واهلش آن موقعیت پایدار اتمها محاسبه شد. نتایج به دست آمده با دادههای حاصل از محاسبات دیگران توافق خوبی دارد.[13] همچنین در این مقاله ویژگیهای اپتیکی از قبیل تابع دیالکتریک و ضریب شکست ماده برای اولین بار محاسبه شده است.
روش محاسبات
تمامی محاسبات بر اساس مطالعات اصول پایه در چارچوب نظریه تابعی چگالی - [14] - DFT بوده، که با حل چندبارهی معادلات کوهن-شم، ساختار×تعادلی ماده را تخمین زده و خواص ماده را محاسبه میکنیم. برای محاسبه ساختار و خواص شبکه بلوری ماده از روش امواج تخت بهبود یافته خطی - - LAPW در نرمافزار wien2k بهره گرفتهایم. برای محاسبهی انرژی برهم کنشی الکترونها از تابعی تبادلی همبستگی تحت تقریب شیب تعمیم یافته - GGA - با تابع - GGA-PBE - استفاده میکنیم بٌِب پارامتر های به کار رفته در محاسبات به شرح زیر میباشد: انتگرال گیری بر روی ناحیهی بریلوئن با بردارهای شبکه وارون در یک شبکه - 5×16×16 - با تعداد نقاط 1500 که 108 نقطه غیرتکراری بوجود آورده، انجام شده است.
شعاع کرهی مافین تین برای اتمها به ترتیب برای اتم برم×ًَ،ٌ و برای اتم نیتروژن واحد اتمی میباشد. برای بهینه کردن سیستم و رسیدن به مقادیر دقیق در محاسبات انرژی و نیروهای بین مولکولی بازه همگرایی انرژی را 10-3 ریدبرگ بر واحد اتمی در نظر گرفتیم. پارامترهای RMT×kmax و Gmax به ترتیب 5 و 14 منظور شده است. مقدار خلاء در راستای عمود بر صفحه برای جداسازی صفحات نیز 20Å میباشد.
نتایج محاسبات
ساختار بلوری ترکیبات ٍpenta-BN پنجگوشیهای چسبیده بههم دارد که در هر یاخته دارای 6 اتم، 4 - اتم نیتروژن و دو اتم برم - است. ثابت شبکهی بهینه شده cّّ،َ میباشد. همچنین این نانوورقهها به دلیل انتشار - توزیع - کرنش فضایی محلی و حفظ ساختار تعادلی دارای اعوجاج - در راستای Z یا راستای عمود بر صفحه - با اندازهی cٍَ،1 میباشد. اطلاعات مربوط به ساختار بهینه شده در جدول1 آمده است.
ساختار متعلق به گروه فضایی P421m است، و ساختار نواری ترکیب در راستاهای تقارنی بلور در سمت چپ شکل3 نشان داده شده است. در راستای Х-Ϻ تبهگنی داریم. مشهود است که سطح فرمی توسط نوارهای انرژی قطع شدهاند و ساختار دارای ماهیت فلزی است. این نتایج با نتایج مرجع [13] همخوانی کامل دارد. همچنین در کنار ساختار نواری چگالی حالات اشغالی برای ترکیب در شکل 3 نشان داده شده است.
نمودار قسمت حقیقی و موهومی تابع دی الکتریک بر حسب انرژی فوتون را برای قطبشهای موازی و عمود رسم کردهایم. ضریب دی الکتریک استاتیک - ضریب دی الکتریک در انرژی صفر - برای قطبشهای موازی و عمود به ترتیب ّّ،0و ٌََ،ًاست. همانطور که در شکل 4 دیده میشود، بخش حقیقی تابع دیالکتریک در انرژیهای بالا تخت است و پاشندگی موج عملاً صفر است. در فرکانسهای پایین پیکهای بیشتری در نمودار تابع دی الکتریک داریم که مربوط به ناحیه مرئی است. مقدار منفی قسمت حقیقی تابع دیالکتریک در راستای موازی صفحه در محدودهی eVًٍ،ٌ تا eVٍ×،ٌ یعنی امواج با فرکانس در این محدوده در ماده منتشر نمیشوند.
