Легированные искусственные двумерные алмазы

Двумерные алмазы привлекают особое внимание научного сообщества. В частности, это связано с зависимостью их электронных, механических и структурных характеристик не только от способа получения, но от внедренных в образцы атомов-допантов. Следует отметить, что “чистые” 2D-алмазы оказываются неустойчивыми в условиях окружающей среды, поэтому и возникает необходимость их легирования, например, атомами бора или азота. В результате образуются композитные структуры, которые могут быть в дальнейшем использованы в нанооптике и наноэлектронике, а также в качестве селективных датчиков.

В работе [1] авторы из Univ. de Sa?o Paulo (Бразилия) проанализировали различные свойства легированных бором или азотом 2D-алмазов. Эталонные системы вида C4X2

(X = B или N), которые приведены на рисунке, обладают так называемой “сэндвичевой” структурой: незамещенный монослой графена размещается между допированными графеновыми листами. При этом процент атомов замещения во внешних слоях достигает 50 %. Авторы рассмотрели четыре различные конфигурации (АА’А”-C4N2, ABC-C4N2, AA’A”-C4B2, ABC-C4B2), в которых все связи являлись ковалентными. Итоговые толщины образцов С4N2 и С4B2 составили 4.7 и 4.2 ?, соответственно.

С помощью теории функционала плотности в программе Quantum ESPRESSO исследователи определили набор структурных, механических и электронных характеристик материалов с использованием PAW-псевдопотенциалов и функционалов PBE и optB88-vdW. Последний использовали для учета слабого ван-дер-ваальсового взаимодействия. Для более точного определения величин диэлектрической щели они применили гибридный функционал HSE. Кроме того, в программе VASP авторы провели ab initio NVT-молекулярно-динамические расчеты с целью установления кинетической устойчивости рассматриваемых материалов. Исследователи рассмотрели температурный диапазон от 300 до 1000 K, шаг молекулярной динамики составил 1 фс, а полное время моделирования – 5 пс.

В результате расчет стандартных энтальпий образования подтвердил термодинамическую устойчивость 2D-алмазов. Анализ фононных спектров показал отсутствие мнимых частот, что свидетельствует об их динамической устойчивости. Данные молекулярно-динами-ческих расчетов подтверждают, что при комнатной температуре (300 К) все конфигурации C4X2 оказались стабильными. Однако уже при достижении 1000 К ковалентные связи в системе C4B2 начинали разрываться, в то время как образцы C4N2 не подверглись деградации и разрушению. Полученные результаты согласуются с дальнейшими вычислениями упругих характеристик. Материалы C4X2 являются механически устойчивыми, поскольку они удовлетворяют критериям Борна, и обладают высокими значениями модуля Юнга и коэффициента Пуассона.

Электронные свойства у всех конфигураций C4X2 являются схожими. Так, у всех рассматриваемых материалов на зонной структуре в Г-точке наблюдается характерный параболический вид энергетических зон. При этом эффективные массы электронов и дырок в материалах C4N2 больше, чем у C4B2. Стоит отметить, что полученные величины эффективных масс сравнимы с фторированными и гидрированными 2D-алмазами. Расчет диэлектрических щелей показал, что ширина запрещенной зоны традиционного алмаза (4.57 эВ) меньше, чем у C4N2 (5.4 – 5.6 эВ), но больше, чем у C4B2 (1.6 – 2.0 эВ).

В итоге, принимая во внимание термодинамическую, динамическую и механическую устойчивость 2D-алмазов и их уникальные электронные и упругие характеристики, авторы рассчитывают, что эти материалы займут достойное место в качестве базовых элементов нано- и оптоэлектроники. Осталось дождаться экспериментального подтверждения теоретических результатов.

А. Грекова

1. B.Ipaves et al., ACS Appl. Electron. Mater. 6, 386 (2024).

Источник: vk.com

Комментарии: