Investigaciones de estructuras de vacantes relacionadas con su crecimiento en la hoja h-BN

Estructuras de vacantes optimizadas de a V _{3B + 1N} y b V _{6B + 3N} con estructura N-symm y c V _{3B + 1N} y d V _{6B + 3N} con estructura de enlace NN. Azul y bolas rosas representan átomos de B y N, respectivamente. Junto a las parcelas b y d son las diferencias en la densidad de espín proyectadas en el plano del V _{6B + 3N} estructuras

La estructura optimizada de tamaños de vacantes más grandes que la de V _{6B + 3N} La estructura representa solo una configuración, es decir, una estructura de enlace NN. Esta gran estructura de vacantes tiene una longitud de borde más larga de forma triangular que la de una pequeña estructura de vacantes, lo que significa que los enlaces BN alrededor del hueco de vacantes se ven menos afectados por la formación del enlace NN en el vértice del hueco de vacantes en grandes estructuras de vacantes (y por lo tanto las longitudes de enlace entre los átomos de B y N permanecen casi iguales en el borde de la estructura de vacantes). Las longitudes de enlace calculadas entre N átomos en los vértices de las vacantes triangulares y las energías relativas de dos tipos de estructuras de vacantes se dan en la Tabla 1. Encontramos que las longitudes de los enlaces N-N y las energías relativas dependen del tamaño de las vacantes. La diferencia en energías relativas entre las estructuras N-symm y NN-bond disminuye con el tamaño creciente de la estructura triangular de vacantes. Por el contrario, las estructuras de vacantes terminadas en B resultan ser solo una estructura con un vínculo B-B débil en el vértice, independientemente de sus tamaños (ver Tabla 1).

Los momentos magnéticos totales calculados de las estructuras de vacantes varían según el tamaño de la vacante, los átomos terminados y las estructuras optimizadas (ver Tabla 1). En las estructuras N-symm, el valor del momento magnético en unidades de μ _B es igual a la cantidad de átomos de nitrógeno ubicados en el borde de las estructuras de vacantes triangulares porque estos átomos de N tienen enlaces colgantes después de que faltan átomos y se rompen los enlaces B-N en el h -Hoja BN. Sin embargo, los momentos magnéticos totales de las estructuras de enlaces N-N con varios tamaños de vacantes se calculan para que sean diferentes de los de las estructuras N-symm debido a la formación de los enlaces N-N (enlace sigma homopolar) en los vértices de las estructuras de vacantes triangulares. Los momentos magnéticos totales para el V _{3B + 1N} , V _{6B + 3N} y V _{10B + 6N} Las estructuras con enlaces N-N en el vértice de la vacante son 0, 3 y 6 μ _{B ,} respectivamente. La Figura 1b, d muestra la diferencia en las densidades de giro para V _{6B + 3N} estructuras con N-symm ( M =9 μ _B ) y enlace N-N ( M =3 μ _B ) estructuras, respectivamente.

Falta el par BN en la región del borde del hueco vacante

A continuación, hemos investigado en detalle la situación de falta de pares BN en estructuras de vacantes terminadas en N porque se observó que el tamaño de las estructuras de los huecos de vacantes se expandía debido a la falta de átomos B y N en el borde de las estructuras de vacantes triangulares en el experimento [14 ]. También se informó que cuando las vacantes crecen manteniendo forma triangular en h -La hoja de BN, los átomos de B y N se expulsan preferentemente con pares o haces de la cara del borde de las estructuras de vacantes [15].

Para estudiar la estabilidad de las estructuras de vacantes en función de la posición que falta, aumentamos el tamaño de la supercélula de h -Hoja de BN de hasta 15 × 15 celda unitaria y obtenga el tamaño de vacante más grande, como V _{15B + 10N} y V _{21B + 15N} . Se encuentra que las relajaciones optimizadas para esas vacantes dan como resultado solo una configuración atómica estable, es decir, la configuración de enlace NN. Las longitudes de enlace N-N en los vértices y los momentos magnéticos totales se muestran en la Tabla 1. Seleccionamos un V _{21B + 15N} grande terminado en N estructura de vacantes triangular incrustada en la supercélula para considerar más posiciones faltantes (Fig. 2a). Como se muestra en la Fig. 2a, el número de posibles posiciones del par BN que faltan en el borde de V _{21B + 15N} la estructura de vacantes es de seis. Después de la relajación de la estructura de vacantes con el par BN que falta en diferentes posiciones, encontramos la diferencia en las estructuras optimizadas dependiendo de las posiciones que faltan, como se muestra en la Fig. 2b – g. Las estructuras optimizadas se dividen en tres tipos según las posiciones que faltan; Falta la esquina (1 y 6), falta la esquina cercana (2 y 5) y falta posiciones en el medio (3 y 4).

Estructuras optimizadas de a V _{21B + 15N} estructura de vacantes con posibles posiciones faltantes de BN-pair y b - g V _{22B + 16N} estructuras de vacantes después de un par BN que falta en posiciones específicas. Los círculos punteados con numeración en a representan posibles posiciones de pares BN que faltan. Las posiciones con numeración del 1 al 6 se indican como b esquina-1, c cara-1, d cara-2, e cara 3, f face-4 y g Estructuras faltantes de la esquina 2, respectivamente

Después de que falta un par BN en el borde de la estructura de vacante triangular, la estructura optimizada muestra un anillo abierto hexagonal BN reconstruido cerca de la posición faltante en la que las longitudes de enlace B-N en el anillo BN distorsionado son ligeramente más cortas; esto significa que las interacciones entre los átomos de B y N se vuelven más fuertes y cambian la disposición de la distribución de carga de los electrones en los enlaces B-N. La estructura faltante de la esquina 1 (falta la numeración 1) casi no ha cambiado excepto la región del anillo abierto BN distorsionado como se muestra en la Fig. 2b.

Se encuentra que otras estructuras (falta la numeración 2-6) tienen un dímero N con forma pentagonal en el borde, que se muestra en la Fig. 2d-g, excepto la Fig. 2c con el dímero N ubicado en el vértice. Es decir, los N átomos cerca de la posición faltante tienen el enlace colgante debido a la falta y forman el dímero N (ver Fig. 2d-g). La presencia del dímero N en cada estructura influye en su estabilidad y propiedades magnéticas. Calculamos las energías relativas y los momentos magnéticos totales de las estructuras faltantes de pares BN obtenidas de V _{21B + 15N} estructura de vacantes, que se enumeran en la Tabla 2.

Con base en las energías relativas, encontramos que la estabilidad de las estructuras faltantes del par BN aumenta cuando la posición faltante se acerca al centro del borde del triángulo (ver Tabla 2). Los momentos magnéticos totales calculados causados ​​por átomos de N terminados en el borde de las estructuras de vacantes optimizadas dependen de la posición faltante. Los momentos magnéticos de las estructuras faltantes de dos esquinas son los mismos ( M =12 μ _B ). Después de la falta, el número de átomos de N terminados es 13 en las estructuras faltantes de la esquina, lo que podría dar el momento magnético M =13 μ _B . Sin embargo, el momento magnético de un átomo de N en los anillos abiertos BN distorsionados desaparece debido a la reordenación de la distribución de carga como se mencionó anteriormente. Los momentos magnéticos de otras estructuras varían dependiendo de las posiciones faltantes debido a la presencia de anillo abierto BN reconstruido y / o dímero N ubicado cerca del punto perdido. La Figura 3 muestra las densidades de espín de las estructuras optimizadas obtenidas después de que faltan los pares BN. A partir de estas densidades de espín, sabemos de dónde provienen los momentos magnéticos enumerados en la Tabla 2.

La densidad de rotación (ρ _{spin up} -ρ _{girar hacia abajo} ) distribuciones para las estructuras optimizadas de pares BN que faltan. Amarillo y azul claro las isosuperficies indican los valores positivos y negativos de las densidades de giro, respectivamente

Para un análisis preciso de las diferencias entre estructuras optimizadas en función de las posiciones faltantes, seleccionamos tres configuraciones (esquina-1, cara-2 y cara-3) entre seis estructuras faltantes de pares BN y calculamos su densidad electrónica de estado (DOS). En las gráficas de DOS, los estados de defecto se encuentran dentro de la banda prohibida del prístino h Hoja -BN, como se muestra en la Fig.4, donde el máximo de la banda de valencia y el mínimo de la banda de conducción del prístino h -Las hojas BN están indicadas por VBM y CBM, respectivamente. En el gráfico de DOS local (LDOS), las regiones sombreadas en gris y las líneas sólidas rojas indican LDOS de átomos de N de las estructuras de vacantes antes y después de que faltan los pares BN, respectivamente. Especialmente, los estados de los átomos de N del borde se concentran alrededor del nivel de Fermi en la gráfica LDOS. Como se muestra en las gráficas de DOS y LDOS, los estados de espín de los átomos del borde N muestran las características asimétricas. La estructura faltante de la esquina 1 en la Fig.4a muestra estados de enlace colgantes de átomos de N en el rango de −0.5 a 1.0 eV de los gráficos de DOS y LDOS:notablemente, los estados de enlace colgantes localizados solo en la región de la cara del borde provienen principalmente del espín -estados descendentes de LDOS (véanse los gráficos de densidad de espín relacionados con las posiciones de los picos numerados del 3 al 6 en el gráfico de LDOS). En las gráficas LDOS de dos estructuras sin caras (Fig. 4b, c), no solo los estados de giro hacia abajo, sino también los estados de giro hacia arriba de los átomos de N del borde también aparecen como estados de enlace colgantes localizados solo en la región de la cara del borde cerca de el nivel de Fermi (−0,5 ~ 1,0 eV). Es decir, estas gráficas de spin-up y spin-down están relacionadas con las posiciones de los picos numeradas de 3 a 6 en la gráfica LDOS de la Fig. 4b y las numeradas de 2 a 5 en la gráfica LDOS de la Fig. 4c. Por otro lado, todas las estructuras faltantes de pares BN tienen la banda prohibida de energía. Los espacios entre bandas son de aproximadamente 0,35, 0,24 y 0,36 eV para las estructuras faltantes de la esquina 1, la cara 2 y la cara 3, respectivamente.

DOS, LDOS totales de átomos de N de borde y las gráficas de densidad de espín cerca del nivel de Fermi para las estructuras optimizadas de V _{21B + 15N} estructura de vacantes sin par BN: a Falta la esquina 1, b Falta la cara 2 y c Estructuras faltantes de la cara 3. El amarillo claro Las regiones sombreadas en el DOS total representan las regiones de las bandas de valencia y las bandas de conducción de la h prístina. -Hoja BN, respectivamente. El gris Las características de línea sólida sombreadas y rojas son LDOS de átomos de N antes y después del par BN que falta en el borde de triangular estructura de vacantes

Conclusiones

Hemos investigado las propiedades estructurales y electrónicas de las estructuras de vacantes triangulares de h -Hoja de BN utilizando cálculos de primeros principios. Se descubrió que las estructuras de vacantes triangulares optimizadas dependían del tamaño de las vacantes. La configuración más estable de grandes estructuras de vacantes tiene el enlace N-N en cada vértice de la vacante triangular, lo que determina sus momentos magnéticos. Cuando la falta de un par BN ocurre en el borde de la estructura de vacante triangular con un gran tamaño de agujero en el h -BN hoja, como se observa en el experimento, se encuentra que la estructura más estable es una estructura faltante de cara con formación de enlaces N-N. Los momentos magnéticos y LDOS de las estructuras optimizadas dependen de las posiciones faltantes del par BN en el borde de la vacante triangular.

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