[論文レビュー] Energy decomposition analysis of neutral and negatively charged borophenes

Tomasz Tarkowski, Jacek A. Majewski+1 more|arXiv (Cornell University)|Nov 27, 2016

Boron and Carbon Nanomaterials Research参考文献 30被引用数 13

ひとこと要約

本研究では、第一原理的密度汎関数理論（DFT）を用いて、静的負電荷が2次元ボロフェンの安定性に与える影響を、配位数に基づくエネルギー分解を焦点として分析している。その結果、原子あたりの電荷が非常に低いか非常に高い場合にエネルギー的に好ましい構造が得られ、中間の電荷状態では不安定であることが明らかになった。特に、四重および五重に配位したボロン原子を多く含むδシートは、電子過剰条件下で最も高い結合エネルギーを示し、最も安定していることがわかった。

ABSTRACT

The effect of external static charging on borophenes - 2D boron crystals - is investigated by using first principles calculations. The influence of the excess negative charge on the stability of the 2D structures is examined using a very simple analysis of decomposition of the binding energy of a given boron layer into contributions coming from boron atoms that have different coordination numbers. This analysis is important to understand how the local neighbourhood of an atom influences the overall stability of the monolayer structure. The decomposition is done for the $\alpha$-sheet and its related family of structures. From this analysis, we have found a preference for 2D boron crystals with very small or very high charges per atom. The structures with intermediate charges are energetically not favourable. We have also found a clear preference in terms of binding energy for the experimentally seen $\gamma$-sheet and $\delta$-sheet structures that is almost independent on the considered excess of negative charge of the structures. On the other hand, we have shown that a model based solely on nearest-neighbour interactions, although instructive, is too simple to predict binding energies accurately.

研究の動機と目的

• 外部からの静的負電荷が2次元ボロフェン構造の安定性に与える影響を調査すること。
• 局所的な原子配位（配位数）がボロフェン単層の全体的な結合エネルギーに与える影響を理解すること。
• 結合エネルギーの単純な近接原子相互作用モデルの予測精度を評価すること。
• さまざまな電荷条件下での2次元ボロフェン構造の安定性を特定し、実験的に観察された相と関連付けること。
• 増加する負電荷に伴う構造的変化（体積拡張、バッキング）を調査すること。

提案手法

• Quantum ESPRESSOを用いて、PBEsol-GGA汎関数とプロジェクター加重波（PAW）法を用いた密度汎関数理論（DFT）を採用。
• 中性および負に帯電したボロフェンシートについて、全原子配置の最適化を実施し、原子あたりの過剰電荷が0から-1.00 e/atomの範囲で変化させた。
• 異なる配位数（3〜6近接原子）を有する原子からの寄与に分けるエネルギー分解分析を実施。
• αシート、γシート、δシート、およびヘキサゴナル（hc）シートを含むさまざまな構造について、原子あたりの結合エネルギー（Eb）および2次元体積（V2D）を計算。
• 孤立した配位数寄与から予測した結合エネルギーとDFTで計算された値を比較し、モデルの精度を評価。
• 電子状態密度（DOS）および電子密度分布の計算を通じて、電荷付与に伴う電子構造の変化を理解した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 原子あたりの負電荷が増加するに従い、2次元ボロフェン構造の結合エネルギーはどのように変化するか？
• RQ2 電子過剰条件下で最も安定なボロフェン構造（例：α、γ、δ、β、s3）は何か。その理由は何か？
• RQ3 近接原子相互作用に基づく単純なモデルが、電荷を帯びたボロフェンシートの結合エネルギーをどの程度正確に予測できるか？
• RQ4 ボロン原子の配位数（3〜6）が、2次元ボロフェン構造の局所的および全体的安定性にどのように影響するか？
• RQ5 さまざまなボロフェン相が、増加する負電荷にどのように反応するか（体積拡張、バッキング）？

主な発見

• δシートは、中性および帯電構造のすべてにおいて最大の結合エネルギー（6.5413 eV/原子）を示し、特に負電荷条件下で強く安定していることが判明した。
• 中間の電荷密度（例：-0.25〜-0.75 e/原子）ではエネルギー的に不利な構造となり、原子あたりの電荷が非常に低いか非常に高い場合に安定性が高まる。
• 配位数に基づくエネルギー分解モデルによると、四重および五重に配位したボロン原子が結合エネルギーに最も寄与しており、これがδシートの安定性を説明している。
• ヘキサゴナル（hc）シート（s3）は、高い負電荷（-1.00 e/原子）下でも最も不安定であり、結合エネルギーは5.6419 eV/原子であった。
• 高電荷状態のhcシートの2次元バルクモジュラスは81 N/mであり、グラフェン（211.8 N/m）と比較して著しく低く、機械的応答が柔らかいことを示している。
• フラットトライアングル（s6/bt）シートは、負電荷の増加に伴い最大の2次元体積拡張を示し、金属基板との格子マッチングの可能性を示唆している。