[論文レビュー] Prediction of a Novel 2D Porous Boron Nitride Material with Excellent Electronic, Optical and Catalytic Properties

Vikram Mahamiya, Alok Shukla+1 more|arXiv (Cornell University)|Jun 8, 2022

Graphene research and applications参考文献 84被引用数 10

ひとこと要約

本研究では、第一原理DFTおよび分子動力学シミュレーションを用いて予測された、新しい2次元多孔質窒化ホウ素構造、BN-holey-graphyne (BN-HGY) を提案する。この材料は5.18 eVの広い直接帯ギャップを示し、ドーピングによる電子的性質の調整が可能であり、紫外および可視光領域で強い光吸収を示し、水素発生反応（HER）のギブズ自由エネルギーがほぼゼロであるため、高い触媒可能性を示しており、ナノエレクトロニクス、オプトエレクトロニクス、および水素生成への応用において有望である。

ABSTRACT

Holey graphyne (HGY) is a recently synthesized two-dimensional semiconducting allotrope of carbon composed of a regular pattern of six and eight-vertex carbon rings. In this study, based on first-principles density functional theory and molecular dynamics simulations, we predict a similar stable porous boron nitride holey graphyne-like structure that we call BN-holey-graphyne (BN-HGY). The dynamical and thermal stability of the structure at room temperature is confirmed by performing calculations of the phonon dispersion relations, and also ab-initio molecular dynamics simulations. BN-HGY structure has a wide direct bandgap of 5.18 eV, which can be controllably tuned by substituting carbon, aluminum, silicon, and phosphorus atom in place of sp and sp$^2$ hybridized boron and nitrogen atoms of BN-HGY. We have also calculated the optical properties of the HGY and BN-HGY structures for the first time and found that the optical absorption spectra of these structures span full visible and a wide range of ultraviolet regions. We have found that the Gibbs free energy of the BN-HGY structure for the hydrogen adsorption process is very close to zero (-0.04 eV) and, therefore, the BN-HGY structure can be utilized as a potential catalyst for HER. Therefore, we propose that the boron nitride analog of holey graphyne can be synthesized and that it has a wide range of applications in nanoelectronics, optoelectronics, spintronics, ultraviolet laser, and solar cell devices.

研究の動機と目的

• 最近発見されたホールドグラファイン（HGY）構造の窒化ホウ素アナログであるBN-HGYの合成可能性を検討すること。
• 提案されたBN-HGY構造のエネルギー的・動的・熱的安定性を評価すること。
• ナノエレクトロニクス、オプトエレクトロニクス、および水素発生反応（HER）への応用を想定し、BN-HGYの電子的・光学的・触媒的性質を調査すること。
• C、Al、Si、Pおよび金属修飾（Li、Mg、Sc、Y）によるドーピングによる帯ギャップのチューナビリティを評価すること。
• 水素吸着のギブズ自由エネルギーの計算により、BN-HGYがHER触媒として適しているかどうかを特定すること。

提案手法

• 電子的および構造的性質の計算には、PBE-GGA関数を用いた第一原理密度汎関数理論（DFT）が用いられた。
• フォノン分散関数の計算により動的安定性が確認され、ab-initio分子動力学（AIMD）シミュレーションにより300 Kおよび1000 Kでの熱的安定性が検証された。
• 誘電関数、屈折率、吸収係数は、周波数依存の複素誘電関数 Ɛ(ω) = Ɛ₁(ω) + iƐ₂(ω) を用いて計算された。
• 光学的吸収係数 α(ω) および屈折率 n(ω) は、Ɛ₁ および Ɛ₂ 成分を用いた標準的な式から導出された。
• HERのギブズ自由エネルギー（ΔG）は、ΔG = ΔEads + ΔEZPE – TΔS の式を用いて計算され、ZPEおよびエントロピー補正の値は文献値を用いた。
• ドーピングおよび金属修飾は、B/N原子をC、Al、Si、Pに置換するか、HおよびOサイトにLi、Mg、Sc、Y原子を吸着させることでモデル化された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ホールドグラファイン（HGY）の窒化ホウ素アナログ（BN-HGY）は、エネルギー的・動的・熱的に安定であるか？
• RQ2 BN-HGYの電子的バンド構造およびバンドギャップは何か？ドーピングまたは修飾によって調整可能か？
• RQ3 BN-HGYおよびHGYの紫外および可視光領域における光学的吸収特性は何か？
• RQ4 BN-HGYにおける水素吸着のギブズ自由エネルギーは何か？これは水素発生反応（HER）の触媒可能性を示唆するか？
• RQ5 BN-HGYはナノエレクトロニクス、オプトエレクトロニクス、および触媒反応の多機能材料として適しているか？

主な発見

• フォノン分散スペクトルに虚数周波数が存在しないため、BN-HGY構造は動的安定であることが確認された。
• 5 ps間のab-initio分子動力学シミュレーションにより、300 Kおよび1000 KでもBN-HGY構造は熱的に安定であることが示された。
• HSE06関数を用いた計算により、BN-HGY構造は広い直接帯ギャップ（5.18 eV）を有していることが判明した。
• C、Al、Si、P原子による置換ドーピングにより、BN-HGYのバンドギャップは制御的に調整可能であり、ドーピングにより磁性を示すようになった。
• BN-HGYの光学的吸収スペクトルは広範な紫外領域にわたり、紫外レーザーおよび光触媒応用に適していることが示唆された。
• BN-HGYの八角形サイトにおける水素吸着のギブズ自由エネルギーは -0.04 eV であり、水素発生反応（HER）における優れた触媒活性を示している。