[논문 리뷰] Prediction of a Novel 2D Porous Boron Nitride Material with Excellent Electronic, Optical and Catalytic Properties

Vikram Mahamiya, Alok Shukla외 1명|arXiv (Cornell University)|2022. 06. 08.

Graphene research and applications참고 문헌 84인용 수 10

한 줄 요약

이 연구는 처음으로 밀도함수이론(DFT) 및 분자역학 시뮬레이션을 통해 예측된 새로운 2차원 다공성 붕소질화물 구조인 BN-홀리그래파인(BN-HGY)을 제안한다. 이 물질은 5.18 eV의 넓은 직접 bandgap을 가지며, 도핑을 통해 전자적 성질을 조절 가능하고, 자외선 및 가시광선 영역에서 강한 광학적 흡수를 보이며, 수소 발생 반응(HER)에 대해 거의 0에 가까운 구리프스 자유 에너지를 나타내어 높은 촉매 잠재력을 지니며, 나노전자공학, 옵토전자공학 및 수소 생산 분야에서 유망한 응용 가능성을 지닌다.

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.

연구 동기 및 목표

• 최근에 발견된 홀리 그래파인(HGY)의 붕소질화물 유사체인 BN-HGY의 합성 가능성 탐색.
• 제안된 BN-HGY 구조의 에너지적, 동적, 열적 안정성 평가.
• 나노전자공학, 옵토전자공학 및 수소 발생 반응(HER) 분야에서의 잠재적 응용을 위한 BN-HGY의 전자적, 광학적, 촉매적 성질 탐구.
• 탄소(C), 알루미늄(Al),Silicon(Si), 인(P) 및 리튬(Li), 마그네슘(Mg), 스칸디움(Sc), 양크륨(Y) 도핑을 통한 밴드 갭 조절 가능성 평가.
• 수소 흡착의 구리프스 자유 에너지 계산을 통해 BN-HGY가 HER 촉매로 적합한지 판단.

제안 방법

• 전자적 및 구조적 성질 계산을 위해 PBE-GGA 기반의 처음부터 계산된 밀도함수이론(DFT) 사용.
• 동적 안정성은 진동 분포 계산을 통해 확인되었으며, 아보-아이디오 분자역학(AIMD) 시뮬레이션을 통해 300 K 및 1000 K에서 열적 안정성 검증.
• 주파수 의존 복소 dielectric 함수 Ɛ(ω) = Ɛ₁(ω) + iƐ₂(ω)를 사용하여 유전율 함수, 굴절률 및 흡수 계수 계산.
• 표준 방정식을 통해 Ɛ₁ 및 Ɛ₂ 성분을 이용해 광학적 흡수 계수 α(ω) 및 굴절률 n(ω) 유도.
• HER에 대한 구리프스 자유 에너지(ΔG)는 ΔG = ΔEads + ΔEZPE – TΔS 공식을 사용하여 계산하였으며, ZPE 및 엔트로피 보정 값은 문헌 자료에서 확보.
• 도핑 및 금속 도핑은 H 및 O 위치에 Li, Mg, Sc, Y 원자를 흡착시키거나 B/N 원자를 C, Al, Si, P로 치환하여 모델링.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 홀리 그래파인(HGY)의 붕소질화물 유사체인 BN-HGY는 에너적으로, 동적으로, 열적으로 안정한가?
• RQ2 BN-HGY의 전자 밴드 구조 및 밴드 갭은 무엇이며, 도핑 또는 도핑을 통해 조절 가능한가?
• RQ3 BN-HGY와 HGY의 자외선 및 가시광선 영역에서의 광학적 흡수 성질은 어떠한가?
• RQ4 BN-HGY에서 수소 흡착의 구리프스 자유 에너지는 얼마이며, 수소 발생 반응(HER)에 대한 촉매 잠재력을 시사하는가?
• RQ5 BN-HGY는 나노전자공학, 옵토전자공학 및 촉매 분야에서 다기능 소재로 활용될 수 있는가?

주요 결과

• BN-HGY는 진동 분포 스펙트럼에서 복소수 주파수의 부재로 인해 동적 안정성이 확인되었다.
• 5 ps 동안의 아보-아이디오 분자역학 시뮬레이션을 통해 BN-HGY는 300 K 및 1000 K에서 열적으로 안정함을 입증하였다.
• HSE06 기반으로 계산된 BN-HGY는 넓은 직접 밴드 갭 5.18 eV를 지닌다.
• 탄소(C), 알루미늄(Al), 실리콘(Si), 인(P) 원자의 치환 도핑을 통해 BN-HGY의 밴드 갭을 제어 가능하며, 도핑 시 자성 특성을 획득한다.
• BN-HGY의 광학적 흡수 스펙트럼은 광범위한 자외선 영역을 커버하여 자외선 레이저 및 광촉매 응용에 적합함을 시사한다.
• BN-HGY의 8각형 위치에서 수소 흡착에 대한 구리프스 자유 에너지는 -0.04 eV로, 수소 발생 반응(HER)에 대해 뛰어난 촉매 활성을 나타낸다.