مطالعه تاثیر نقص ساختاری بر خصوصیات مکانیکی و الکترونی بورفینβ_12

نوع مقاله: مقاله پژوهشی کامل

نویسندگان

1 گروه فیزیک، آزمایشگاه محاسباتی نانو، دانشکده علوم، دانشگاه گیلان، ایران

2 پژوهشکده علوم نانو، پژوهشگاه دانش‌های بنیادی، تهران، ایران

3 گروه فیزیک، آزمایشگاه محاسباتی نانو، دانشکدة علوم پایه، دانشگاه گیلان، ایران

چکیده

بورفین ساختار دو بعدی بورن است که خود نیز تنوع ساختاری بسیار زیادی دارد. در این مقاله ساختار بورفین β_12 و خواص مکانیکی و الکترونی آن مورد بحث قرار می‌گیرد. بورفین β_12 یک ساختار مکعب مستطیلی با تعداد 5 اتم در سلول واحد می‌باشد. در این مقاله خواص مکانیکی و الکترونی ورقۀ بورفین بدون نقص و ورقۀ بورفین دارای دررفتگی با کمک نظریۀ تابعی چگالی مورد مطالعه قرار می‌گیرد و کرنش بحرانی و تنش نهایی ساختار محاسبه می‌شود. مقدار کرنش بحرانی در راستای x برابر با 18% و تنش نهایی آن N/m87/18 شد که این مقدار حداکثر کششی است که جسم مورد نظر می‌تواند تحمل کند و مقدار کرنش بحرانی برای راستای تک محوری y و دو محوری x-y به ترتیب برابر 10% و 12% و تنش نهایی آن ها نیز N/m 82/14و N/m 46/17به دست آمدند. همچنین ضریب یانگ در راستای x برابر با N/m 180 و در راستای y برابر باN/m 203 محاسبه شدند. بررسی ما نشان می دهد که دررفتگی باعث کاهش قابلیت مکانیکی می‌شود و این کاهش به نوع و مکان اتم حذف شده به شدت وابسته است.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Study of the Influence of Structural Defects on Mechanical and Electrical Properties of β_12 Borophene

نویسندگان [English]

  • Rana Alizadeh 1
  • Sahar Izadi Vishkaiy 1 2
  • Meysam Bagheri Tagani 3
1 epartment of Physics, Computational nanolab, University of Guilan, Iran
2 Department of Physics, Computational Nanolab, University of Guilan, Iran.
3 Department of Physics, Computational Nanophysics Laboratory (CNL), University of Guilan, Po Box:41335-1914, Rasht, Iran
چکیده [English]

Borophene is a monolayer of boron atoms with a lot allotropes. Electrical and mechanical properties of β_12 borophene is investigated using density functional theory. β_12 Borophene has an orthorhombic lattice with five boron atoms in a unit cell. We calculate critical strain and ultimate stress of the sheet. The calculated critical strain is 0.18% in x direction with ultimate stress of 18.87 N/m, while, critical strain is 10% and 12% for uniaxial strain along y and biaxial strain, respectively. Young module of the sheet is 180 N/m in x direction and 203 N/m along y one. Structural defects reduce the mechanical ability of the sheet and the reduction is strongly dependent on the position of the removed atoms and their density.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Ab-initio calculation
  • B_{12} Borophene
  • Critical strain
  • Ultimate stress
  • Young module

 

 [1] K.S. Novoselov, A.K. Geim, S.V. Morozov, D. Jiang, Y. Zhang, S.V. Dubonos, I.V. Grigorieva, A.A. Firsov, Electric field effect in atomically thin carbon films, Science 306 (2004) 666-669.

[2] K. Geim, Graphene: status and prospects, Science 324 (2009) 1530-1534.

[3] A.A. Balandin, S. Ghosh, W. Bao, I. Calizo, D. Teweldebrhan, F. Miao,C.N. Lau, Superior thermal conductivity of single-layer graphene, Nano Letter 8 (2008) 902-907.

[4]C. Lee, X. Wei, J.W. Kysar,J. Hone, Measurement of the elastic properties and intrinsic strength of monolayer graphene, Science 321 (2008) 385-388.

[5] P. Vogt, P. De Padova, C. Quaresima, J. Avila, E. Frantzeskakis, M.C. Asensio, A. Resta, B. Ealet, G.L. Lay, Silicene: compelling experimental evidence for graphene-like two-dimensional silicon, Physical Review Letter 108(2012) 155501-5.

[6] M.E. Dávila, L. Xian, S. Cahangirov, A. Rubio, G. Le Lay, Germanene: a novel two-dimensional germanium allotrope akin to graphene and silicene, New Journal of Physics 16 (2014) 95002-85011.

[7] F. Zhu, W-J. Chen, Y. Xu, C-L.Gao, D-D. Guan, C-H. Liu, D. Qian, S-C. Zhang, J-F. Jia, Epitaxial growth of two-dimensional stanine, Nater Material 14(2015) 1020-1025.

[8] A.J. Mannix, X-F Zhou, B. Kiraly, J.D. Wood, D. Alducin, B.D. Myers, X. Liu, B.L. Fisher, U. Santiago, J.R. Guest, M.J. Yacaman, A. Ponce, A.R. Oganov, M.C. Hersam, N.P. Guisinger, Synthesis of borophenes: Anisotropic, two-dimensional boron polymorphs, Science 350 (2015) 1513-1516.

[9] B. Feng, J. Zhang, Q. Zhong, W. Li, S. Li, H. Li, P. Cheng, S. Meng, L. Chen, K. Wu, Experimental realization of two-dimensional boron sheets, Nature Chemistry 8 (2016) 563-568.

[10] M.Q. Le, B. Mortazavi, T. Rabczuk, Mechanical properties of borophene films: a reactive molecular dynamics investigation, Nanotechnology 27 (2016) 445709-4457023.

[11] S. Izadi Vishkayi, M. Bagheri Tagani, Current-Voltage Characteristics of Borophene and Borophane Sheets, Physical Chemistry Chemical Physics 19 (2017) 21461-21466.

[12] X. Zhang, J. Hu, Y. Cheng, H.Y. Yang, Y. Yao, S.A. Yang, Borophene as an extremely high capacity electrode material for Li-ion and Na-ion batteries, Nanoscale 8 (2016) 15340-15347.

[13] Y. Zhao, S. Zeng, J. Ni, Superconductivity in two-dimensional boron allotropes, Physical Review B 93 (2016) 014502-5.

[14] S. Izadi Vishkaiy, M. Bagheri Tagani, Edge-Dependent Electronic and Magnetic Characteristics of Freestanding β12-Borophene Nanoribbons, Nano-micro Letter 10 (2018) 14-27.

[15] S. Izadi Vishkaiy,M. Bagheri Tagani, Freestanding -borophene nanoribbons: a density functional theory investigation, Physical Chemical Chemistry Physics 20 (2018) 10493-10501.

[16] E. Artacho, D. Sanchez-Portal, P. Ordejon, A. Garcia, J.M. Soler, Density‐functional method for very large systems with LCAO basis sets, International Journal of Quantum Chemistry 65 (1997) 453-461.

[17] P. Perdew, K. Burke, M. Ernzerhof, Generalized gradient approximation made simple, Physical Review Letter 77 (1996) 3865-3868. 

[18] B. Fen, O. Sugino, R-Y. Liu, J. Zhang, R. Yukawa, M. Kawamura, T. Iimori, H. Kim, Y. Hasegawa, H. Li, L. Chen. K. Wu, H. Kumigashira, F. Komori, T-C. Chiang, S. Meng, I. Matsuda, Dirac Fermions in Borophene, Physical Review Letter 118 (2017) 096401-6.

[19] J. Yuan, N. Yu, B.K. Xue, X. Miaoa, Ideal strength and elastic instability in single-layer 8-Pmmn borophene, RSC Advances, 7 (2017) 8654-8660. 

[20] H.F. Wang, Q.F. Li, Y. Gao, F. Miao, X.F. Zhou, X.G. Wan, Strain effects on borophene: ideal strength, negative Possion's ratio and phonon instability, New Journal of Physics 18 (2016) 073016-073022.

[21] B. Peng, H. Zhang, H.Z. Shao, Z.Y. Ning, Y.F. Xu, H.L. Lu, D.W. Zhang, H.Y. Zhu, Stability and strength of atomically thin borophene from first principles calculations, Material Research Letter 5 (2017) 399-407.