[论文解读] 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 13

一句话总结

本研究采用从头算密度泛函理论（DFT）分析静态负电荷对二维硼烯稳定性的影响，特别关注基于配位数的能量分解。结果表明，每个原子电荷极低或极高的硼烯结构在能量上更有利，而中间电荷状态则不稳定。富含四配位和五配位硼原子的δ-片层在电子富集条件下表现出最高的结合能，最为稳定。

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.

研究动机与目标

• 研究外部静态负电荷对二维硼烯结构稳定性的影响。
• 理解局部原子配位（配位数）如何影响硼烯单层的整体结合能。
• 评估基于简单最近邻相互作用模型对带电硼烯结合能的预测能力。
• 识别在不同电荷条件下最稳定的二维硼烯结构，特别是与实验观测相一致的相。
• 探索随着负电荷增加，结构演化（包括体积膨胀和翘曲）的特征。

提出的方法

• 在Quantum ESPRESSO中采用PBEsol-GGA泛函和投影缀加波（PAW）方法进行密度泛函理论（DFT）计算。
• 对中性及带负电荷的硼烯片层进行完全结构弛豫，电荷密度范围为每原子0至-1.00 e/原子。
• 使用能量分解分析，将结合能按不同配位数（3–6个最近邻）的原子贡献进行拆分。
• 计算了包括α-片层、γ-片层、δ-片层和蜂窝（hc）片层在内的多种结构的每原子结合能（Eb）和二维体积（V2D）。
• 将孤立配位贡献模型预测的结合能与DFT计算结果对比，以评估模型准确性。
• 分析态密度（DOS）和电荷密度分布，以理解充电状态下电子结构的变化。

实验结果

研究问题

• RQ1 随着每个原子负电荷的增加，二维硼烯结构的结合能如何变化？
• RQ2 在电子富集条件下，哪些硼烯结构（如α、γ、δ、β、s3）最稳定，原因是什么？
• RQ3 基于最近邻相互作用的简单模型在多大程度上能预测带电硼烯片层的结合能？
• RQ4 硼原子的配位数（3至6）如何影响二维硼烯结构的局部与整体稳定性？
• RQ5 不同硼烯相在负电荷增加时的结构响应（体积膨胀、翘曲）如何？

主要发现

• δ-片层在所有中性和带电结构中表现出最高的结合能（6.5413 eV/原子），尤其在负电荷条件下，表明其具有极强的稳定性。
• 中间电荷密度的结构（如-0.25至-0.75 e/原子）在能量上不利，而极低或极高电荷每原子则更有利于稳定。
• 基于配位数的能量分解模型表明，四配位和五配位硼原子对结合能的贡献最有利，解释了δ-片层的稳定性。
• 蜂窝（hc）片层（s3）即使在高负电荷（-1.00 e/原子）下也最不稳定，结合能为5.6419 eV/原子。
• 高度带电的hc-片层的二维体积模量为81 N/m，显著低于石墨烯（211.8 N/m），表明其机械响应更柔软。
• 平面三角形（s6/bt）片层在负电荷增加时表现出最大的二维体积膨胀，暗示其在与金属基底晶格匹配方面具有潜力。