[論文レビュー] Adsorption of Metallic, Metalloidic, and Nonmetallic Adatoms on Two-Dimensional C3N

Meysam Makaremi, Bohayra Mortazavi+1 more|arXiv (Cornell University)|Aug 17, 2017

Conducting polymers and applications被引用数 5

ひとこと要約

本研究では、ab-initio DFTシミュレーションを用いて、金属的、metalloid的、非金属的接着原子が二次元C3Nナノシートの電子的および磁気的性質に与える影響を調査した。結果から、非金属的およびmetalloid的接着原子はp型ドーピングと金属的挙動を誘導するのに対し、金属的接着原子、特に遷移金属はn型ドーピングを可能にし、d電子状態を介して調整可能な磁気モーメントを誘導する。これは、C3Nがスピントロニクス、触媒、センシング応用分野において潜在的であることを示している。

ABSTRACT

Two-dimensional polyaniline with a C3N stoichiometry, is a newly fabricated material that has expected to possess fascinating electronic, thermal, mechanical and chemical properties . The possibility of further tuning the C3N properties upon the adsorption of foreign adatoms is thus among the most attractive researches. We carried out extensive ab-initio density functional theory (DFT) simulations to investigate the adsorption of various elements including nonmetallic, metalloidic and metallic elements on the C3N monolayer. While pristine C3N acts as a semiconductor with an indirect electronic band gap; the functionalization with nonmetallic and semimetallic elements leads to a p-type doping and induces metallic behavior to the monolayer. On the other hand, metallic adsorption depending on the adatom size and the number of valence electrons may result in semiconducting, half-metallic or metallic properties. Whenever metallic foreign atoms conduct metallic characteristics, they mostly lead to the n-type doping by electron donation to the surface. Moreover, adsorption of transition metals could enhance the magnetic behavior of the monolayer due to the contribution of d electronic states. These results suggest that C3N illustrates viable electronic-magnetic properties which could be promising for semiconducting, nanosensores and catalytic applications.

研究の動機と目的

• 多様な接着原子（非金属的、metalloid的、金属的）の吸着に対する2次元C3Nナノシートの電子的および磁気的応答を調査すること。
• C3N上での接着原子の好ましい吸着サイトおよび結合エネルギーを特定すること。
• 機能化に伴う電荷移動、状態密度、および磁気モーメントの変化を分析すること。
• 接着原子工学を用いた、C3Nの電子的、磁気的、触媒的応用の可能性を評価すること。
• 今後の実験的探索のための理論的基盤を提供すること。

提案手法

• VASPパッケージを用いてスピン極性密度汎関数理論（DFT）計算を実施し、PBE-GGA汎関数およびPAW擬ポテンシャルを用いた。
• 層間相互作用を回避するため、C3Nの2×2スーパーセルに15 Åの真空層を導入した。
• 結合エネルギー、全状態密度（TDOS）および部分状態密度（PDOS）、バーダー電荷移動、全磁気モーメントを計算した。
• 一部のケースにおいて、より正確なバンドギャップを得るためにHSE06ハイブリッド汎関数を用いた。
• さまざまな接着原子種および配置を想定し、炭素サイト（HCC、TC、BCC）における吸着を体系的に調査した。
• スピン極性計算を用いて磁気的配置を分析し、超セル拡張を用いて強磁性/反強磁性結合の有無を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 多様な接着原子はC3Nナノシートのどこに好んで吸着し、それぞれの結合エネルギーはどのようになるか？
• RQ2 接着原子の吸着は、真性C3N（半導体から金属／半金属に）の電子的バンド構造にどのように影響を与えるか？
• RQ3 機能化はp型ドーピングかn型ドーピングを誘導するか？電荷移動機構を決定づける要因は何か？
• RQ4 遷移金属接着原子はC3Nに磁気モーメントを誘導できるか？どのd電子配置がその原因か？
• RQ5 d電子状態は、吸着に伴う磁気的および電子的遷移をどのように媒介しているか？

主な発見

• 非金属的およびmetalloid的接着原子（例：B、C、N、O、F、P）はp型ドーピングを誘導し、価電子帯を満たすことでC3Nを金属的挙動に変える。
• 金属的接着原子（例：Li、Na、K、Ca、Al）は主に電子を伝導帯に供給することでn型ドーピングを引き起こす。
• 3d遷移金属（例：Mn、V）の吸着は顕著な磁気モーメント（Mnでは最大5 μB）を誘導するが、完全に満たされたd殻を持つ元素（Zn、Cu）は非磁性のままである。
• 遷移金属のd電子状態が、主に磁気的挙動およびフェルミ準位近くの電子状態を決定づけている。
• 結合エネルギーの傾向から、炭素サイトへの吸着が強く、金属的接着原子はHCCおよびTCサイトを好む。
• C3Nナノシートは、制御された接着原子機能化によって電子的および磁気的性質を調整可能であり、スピントロニクスおよび触媒応用に応用可能である。