بخشی از مقاله
چکیده
در این مقاله، با استفاده از محاسبات اصول اولیه مبتنی بر نظریه تابعی چگالی، خواص ساختاري و الکترونی نانو ورقههاي ششگوشی بورنیترید - - h-BN آلاییده با اتمهاي فسفر بررسی شده است. محاسبات براي دو حالت مختلف جایگزینی اتمهاي فسفر با اتمهاي بور - PB - و جایگزینی اتمهاي فسفر با اتمهاي نیتروژن - - PNصورت گرفته است. نتایج نشان میدهد که آلایش نانو ورقهي بور نیترید با اتم فسفر موجب کاهش گاف انرژي از 4/7 الکترون ولت به 2/86 الکترون ولت - براي - P B و 2/87 الکترون ولت - براي - PN میشود.
مقدمه
بعداز کشف گرافن در سال[1] 2004، این ماده حجم وسیعی از تحقیقات را به خود اختصاص داده است. گرافن داراي خواص الکترونی [2] مغناطیسی [3] بسیار جالبی است. به دلیل تحرك پذیري بالا، میتواند در دستگاههاي الکترونیکی کاربردهاي فراوانPACS No.31.15.Ar , 31.15.aeداشته باشد ولی با وجود گاف انرژي صفر نمیتواند همیشه عملکرد مناسبی در این دستگاهها داشته باشد. لذا استفاده از سایر مواد به جاي کربن در ساختارهاي دو بعدي از اهمیت ویژهاي برخوردار است. در سالهاي اخیر، ساختار دو بعدي لانه زنبوري تک لایه بور نیترید - h-BN - که یک ترکیب دوتایی از بور و
نیتروژن گروه - III-V - با پیوند کووالانسی قويsp2 در سطح است، به عنوان یک ماده دو بعدي مورد توجه قرار گرفته است.
h-BN یک عایق یا نیمهرسانا غیر مغناطیسی با گاف انرژي مستقیم در حدود4/7 الکترون ولت [4] مورد توجه بسیاري از پژوهشگران، هم از لحاظ تجربی [5] و هم نظري [6] قرار گرفته است.قبلاً در مطالعات نظري، اثر ناخالصی کربن و سیلیسیوم روي خواص الکترونی و مغناطیسی نانو ورقه h-BN در هر دو حالت جانشینی اتم ناخالص به جاي B وN تحقیق شده بود. .[9-7]در این جا، به بررسی تاُثیر ناخالصی فسفر در هر دو حالت PB و PN ، بر روي ساختار نواري و چگالی حالات الکترونی نانو ورقههاي بور نیترید در چارچوب نظریه تابعی چگالی پرداخته شده است.
روش محاسبات
در این مقاله محاسبات با استفاده از روش پتانسیل کامل در چار چوب نظریهي تابعی چگالی و با استفاده از کد WIEN2K انجام شده است. پتانسیل تبادلی– همبستگی نیز با تقریب GGA محاسبه شده است.ثابتهاي شبکه براي یاخته واحد a=b=2/52Å و c=10Å در نظر گرفته شد تا از بر هم کنش بین اتمها در راستاي z نانو ورقه جلوگیري شود.شعاع کره مافین تین اتم B برابر RMT - B - =1/16 bohr و اتم N RMT - N - =1/29 bohr انتخاب شدند. براي جدا سازي حالات مغزه از حالات ظرفیت انرژي مرز جدایی -6/0 ریدبرگ در نظر گرفته شد. تعداد 900 نقطه براي Kpoint مورد استفاده قرار گرفت. مقدار پارامتر همگرایی Rkmax برابر 7/0 انتخاب شد و طول پیوند ترکیب h-BN نیز بعد از بهینه کردن مقدار 1/45 Å اندازهگیري شد و در محاسبات مورد استفاده قرار گرفت.
بحث و نتایج
براي مطالعه تأثیر حضور ناخالصی در نانو ورقه h-BN اتم P را در دو حالت PB - اتم P جاي اتم - B و PN - اتم P جاي اتم - N در نانو ورقه خالص ششگوشی بور نیترید جانشین شد. در هر حالت، کلیه فرآیندهاي محاسبات اعم از بهینه سازي نیروي وارد بر اتمها، محاسبات ساختاري، الکترونی و مغناطیسی به انجام رسید که در ادامه به بررسی آنها پرداخته میشود.
خواص ساختاري
به دلیل وجود ناخالصی در ترکیب، به طور قطع طول پیوندها دستخوش تغییر خواهد شد. لذا قبل از شروع محاسبات نیروي وارد بر سیستم را بهینه کرده و بعد از اجراي برنامه عددهاي بهینه شده براي طول پیوند و زاویه پیوند محاسبه شدند.باآلاییدن نانو ورقه بور نیترید توسط اتم فسفر به طور قابل توجهی در سطح نانو ورقه بور نیترید اعوجاج ایجاد میشود و مقداري از سطح ارتفاع پیدا میکند زیرا طول پیوند P-B و P-N با طول پیوند B-N متفاوت است . که در شکل - 1 - ارتفاع از سطح نانو ورقه به نمایش در آمده است.
خواص الکترونی
بررسی خواص فیزیکی ماده نیازمند محاسبه چگالی حالات الکترونی و ساختار نواري و درك جامعی از ویژگیهاي الکترونی آن میباشد.در شکل - - 2 چگالی حالات الکترونی کل در دو کانال اسپینی بالا و پایین براي نانو ورقه خالص بور نیترید و سپس با حضور ناخالصی P در هر دو حالت PB و PN نشان داده شده است.همانگونه که مشاهده میشود بور نیترید یک عایق با گاف انرژي پهن است و افزودن ناخالصی P در هر دو حالت PB و PN گاف انرژي را به طور قابل توجهی کاهش میدهد.با توجه به شکل - 2ت و2ث - مشاهده میشود که سهم اتم نیتروژن در چگالی حالات الکترونی بیشتر است.
