بخشی از مقاله
چکیده
در این مقاله با استفاده از نظریهی تابعی چگالی - - DFTبه بررسی ساختار الکترونیِ بوروفن- آهن - Tri-FeB6 - 3، که در آن لایهای از آهن به صورت ساندویچ مابین دو لایهی بورفن قرار گرفته است، پرداخته و آن را به سامانهی Tri-FeB6 آراییده شده به وسیلهی نیکل تعمیم میدهیم. براساس نتایج به دست آمده، انرژی جذب نیکل بر روی Tri-FeB6 خالص در حدود -3/29 الکترونولت میباشد که در نتیجه تشکیل سامانهی آراییده تحت شرایط متعارف امکانپذیر است. محاسبات ما همچنین نشان میدهد که بوروفن- آهن3 آراییده با نیکل همچنان دارای گاف مستقیم، که با کاهشی در حدود %60 همراه است، میباشد. با توجه به توان بالایDFT، در این مقاله چگالی بار الکترونی سامانه، که حکایت از فزونی بار در اطراف لایه بوروفنِ نزدیکتر به اتم نیکل میکند، نیز ارائه شده است.
مقدمه
امروزه نانو مواد دو بعدی مطالعات گستردهای را به خود اختصاص دادهاند. نانو مواد دو بعدیِ پایدار مانند گرافن، به دلیل خواص متمایز و سطح ویژه بالا در زمینههای مختلفی از قبیل اسپینترونیک، حسگرهای بیولوژیکی، سلولهای خورشیدی و ... دارای کاربردهای بالقوه هستند .[1] اما بعد از سنتز موفق چندین ساختار دو بعدی مانند گرافن، بوروفن و ... 2]و[3، توجه قابل ملاحظهای به کاوش نانوساختارهای پایدار دو بعدی جدید جلب شده است.
یکی از این ساختارها، ساختار مسطح فوق همآرا1 می باشد. در ساختارهای دو بعدی فوق همآرا، اجزاء تشکیلدهنده دارای پیوندهایی بیش از الکترونهای ظرفیت بوده و در نتیجه دارای خواص الکترونی، مغناطیسی و اپتیکی ویژهای هستند 4]و.[5 مطالعات اخیر نشان میدهد که دو لایه از بوروفن، با ساختار لانه زنبوری، همراه با فلزی واسطه تشکیل ساختاریدو بعدی و پایدارِ فوق همآرا میدهد. استفاده از عنصر بور در این ساختارها به دلیل تمایل زیاد آن برای گرفتن الکترون، ایجاد ساختارهای چند وجهی و در نتیجه ساختار فوق همآرا، میباشد .[6] از جمله این ساختارها، میتوان نیمرسانای Tri-FeB6 را نام برد که در آن لایهای از آهن با فاصلههایی مساوی بین دو لایهی بوروفن ساندویچ شده است.
ضخامت Tri-FeB6 در حدود 2/37 آنگستروم میباشد که آن را یک نیمرسانا با گاف انرژی در حدود 1/82 الکترونولت میسازد. این نیم رسانا مقاومت بالایی در برابر اکسید شدن دارد و از اینرو میتواند در آشکار سازهای مادون قرمز، LEDها، لیزرها، ترانزیستورها و سلولهای خورشیدی مورد استفاده قرار گیرد .[7] با توجه به کاربردهای وسیع این ماده، بررسی راهکارهای تنظیم و کنترل خواص الکترونی از جمله گاف نواری به منظور ایجاد خصوصیات مطلوب در آن حایز اهمیت است.
روشهای مختلفی برای کنترل گاف نواری مواد دو بعدی وجود دارد که از جمله آنها میتوان به اعمال میدان الکتریکی عمود بر سطح، ایجاد کرنش در ساختار و تغییر از طریق آلاییدن یا آراییدن آن اشاره کرد .[7] بنابراین در این مقاله به بررسی نظری تغییرات خواص الکترونی و گاف نواری حاصل از آراییدن نیم رسانای Tri-FeB6 با اتم نیکل با استفاده از نظریه تابعی چگالی میپردازیم. محاسبات ما نشان میدهد که گاف انرژی Tri-FeB6 آراییده با نیکل کاهش یافته و به میزان 0/728 الکترونولت میرسد.
بسط تابع موج و چگالی بار به ترتیب 60Ry و 540Ry در نظر گرفته شده است. فرآیند واهلش مکانهای اتمی تا جایی ادامه مییابد که اندازهی تک تک نیروهای وارد بر هراتم به کمتر از 0/001 Ry/bohr برسد. در کلیهی محاسبات انجام گرفته ابر یاخته متشکل از 2×2 یاختهی بسیط - شبکه شش گوشی - ، شامل24 اتم بور و 4 اتم آهن، همراه با فضای خالی - خلاء - 12 آنگستروم استفاده شده است. تعداد نقاط k - مشبندی در فضای وارون - برای انتگرالگیریها در منطقهی اول بریلوئن 15×15×1 در نظر گرفته شده است.
اعتبارسنجیِ روش محاسباتیِ به کار رفته
در این بخش ساختار هندسی - به طور مثال طولهایِ پیوندی و ضخامت لایه - Tri-FeB6 خالص، همراه با ساختار نواری و چگالی حالتهای الکترونی آن، به منظور ارزیابی روش محاسباتی مورد استفاده و مقایسه با نتایج تحقیقات پیشین ارائه میگردد. شکل1 ساختار هندسی Tri-FeB6 حاصل از واهلش کامل را نشان میدهد. در این ساختار، طول پیوند B-Fe، B-B و ضخامت بوروفن- آهن3 به ترتیب برابر با 2/1، 1/73 و 2/37 آنگستروم به دست آمده است که با نتایج گزارشهای قبلی مطابقت دارد .[7]
روش محاسبات
در این تحقیق، محاسبات براساس نظریه تابعی چگالی و با استفاده از بسته نرم افزاری کوانتوم اسپرسو انجام گرفته است.[8] در این بستهی محاسباتی، معادلات تک ذرهای کوهن-شم با استفاده از تکنیک شبه پتانسیل و بسط تابع موج الکترونهای ظرفیت براساس امواج تخت حل میگردند. در محاسبات حاضر از شبهپتانسیل فوق نرم، تولید شده به روش " موج بهساختهی تصویرگر" - PAW - ، همراه با تابعی تبادلی همبستگی در تقریب گرادیان تعمیم یافته استفاده میشود.
[9] مقادیر انرژیهای قطع در شکل:1 ساختارTri-FeB6 ، الف - نمای بالا و ب - نمای روبرو. براساس روش محاسباتی بکار گرفته، در شکل-2الف ساختار نواری و در قسمت ب از شکل، چگالی حالات الکترونی در ساختار Tri-FeB6 ارائه شده است. با توجه به شکل -2الف دیده میشود که بوروفن- آهن3 یک نیمرسانا با گافی مستقیم، در حدود 1/82 الکترونولت، میباشد. همانطور که در شکل -2ب نیز میبینیم، اوربیتالهایِ d اتمهای آهن در لایهی ظرفیت و اوربتالهایِ p اتمهای بور در لایهی هدایت سهم بیشتری به خود برای جذب اتم نیکل بالای اتم آهن در مرکز شش ضلعی با انرژی اختصاص میدهند.[7]
جذب -3/29 الکترونولت - فرآیندی گرماده - میباشد. در شکل3 ساختار واهلش یافتهی جذب نیکل بر روی ساختار Tri-FeB6 نشان داده شده است. همانگونه که دیده میشود فاصلهی اتم نیکل تا صفحهی بوروفن 1/22 آنگستروم میباشد. همچنین مشاهده میشود که ساختار Tri-FeB6 دچار اعوجاجی برابر با 0/097 آنگستروم میگردد. بدین ترتیب، صحتِ انتخاب پارامترهای ورودی به بستهی محاسباتی تأیید میشود. مطالب این بخش همچنین پایهای برای مقایسه با ساختار الکترونی در بوروفن-آهن3 را تشکیل میدهد.
