پژوهش سیستم های بس ذره ای

پژوهش سیستم های بس ذره ای

محاسبة ساختار نواری، تابع دی الکتریک و طیف اتلاف انرژی هگزاگونال بورون نیترید دو لایه تحت کرنش صفحه ای دو محوری

نوع مقاله : مقاله پژوهشی کامل

نویسنده
سمیه بهزاد
گروه فیزیک مهندسی، دانشگاه صنعتی کرمانشاه، کرمانشاه، ایران
10.22055/jrmbs.2020.15330
چکیده
با استفاده از نظریة تابعی چگالی خواص الکتریکی و اپتیکی هگزاگونال بورون نیترید (h-BN) دو لایه تحت کرنش صفحه ای دو محوری بررسی می شوند. محاسبة انرژی کل دو حالت برهم چینش AA و AB نشان می دهد که حالت AB پایدارتر از حالت AA است. h-BN دو لایه دارای گاف نواری غیر مستقیم به اندازة 4.33 eV در راستایK-M است. با اعمال کرنش تراکمی، کمینة نوار رسانش در نقطة M نسبت به تراز فرمی به سمت بالا و لبة نوار رسانش در نقطة به سمت پایین جابجا می شود. به ازای -6% کرنش تراکمی گاف نواری به گاف نواری غیر مستقیم در راستای K- تبدیل می شود. با اعمال کرنش کششی، کمینة نوار رسانش در نقاط K و M نسبت به تراز فرمی به سمت پایین جا بجا می شود و گاف نواری کاهش می یابد. توابع اپتیکی h-BN دو لایه، شامل تابع دی الکتریک، طیف اتلاف انرژی و ضریب شکست، تحت کرنش کششی (تراکمی) به سمت انرژی های کمتر (بیشتر) جابه جا می شوند. محاسبات نشان می دهند که با اعمال کرنش می توان خواص الکتریکی و اپتیکی h-BN دو لایه را تغییر داد که این نتایج می تواند در طراحی نیمرساناهای جدید مورد استفاده قرار گیرد.
کلیدواژه‌ها
هگزاگونال بورون نیترید دو لایه
نظریة تابعی چگالی
خواص الکتریکی
تابع دی الکتریک
طیف اتلاف انرژی
ضریب شکست
موضوعات

عنوان مقاله English

Calculation of band structure, dielectric function and electron energy loss spectrum of bilayer h-BN under biaxial strain

نویسنده English

Somayeh Behzad
Department of Engineering Physics, Kermanshah University of Technology, Kermanshah, Iran
چکیده English

In this study, the electronic and optical properties of bilayer h-BN under in-plane biaxial strain were investigated using density functional theory. The total energy calculations show that the AB stacking configuration is more stable than AA stacking configuration. The strain-free bilayer h-BN has an indirect band gap of 4/33 eV along the K M direction. By applying the compressive strain the conduction band minimum at the M point moves upward and the conduction band edge at the point moves downward. The optical spectra of bilayer h-BN, including the dielectric function and electron energy loss spectrum, move to lower (higher) energies under tensile (compressive) strain.

کلیدواژه‌ها English

Bilayer hexagonal boron nitride
Density functional theory
Dielectric function
Electron energy loss spectrum
[1] F. Guinea, M.I. Katsnelson, A.K. Geim, Energy gaps and a zero-field quantum Hall effect in graphene by strain engineering, Nature Physics 6 (2009) 30-33.
https://doi.org/10.1038/nphys1420
 
[2] Y. Fujimoto, S. Saito, Hydrogen adsorption and anomalous electronic properties of nitrogen-doped graphene, Journal of Applied Physics 115 (2014) 153701-153706.
https://doi.org/10.1063/1.4871465
 
[3] S.Y. Zhou, G.H. Gweon, A.V. Fedorov, P.N. First, W.A. de Heer, D.H. Lee, F. Guinea, A.H. Castro Neto, A. Lanzara, Substrate-induced bandgap opening in epitaxial graphene, Nature Materials 6 (2007) 770-775.
https://doi.org/10.1038/nmat2003
 
[4] Y.-W. Son, M.L. Cohen, S.G. Louie, Energy Gaps in Graphene Nanoribbons, Physical Review Letters 97 (2006) 216803-2168037.
10.1103/PhysRevLett.97.216803
 
[5] V.M. Pereira, A.H. Castro Neto, N.M.R. Peres, Tight-binding approach to uniaxial strain in graphene, Physical Review B 80 (2009) 045401-045409.
10.1103/PhysRevB.80.045401
 
[6] F. Xia, D.B. Farmer, Y.-m. Lin, P. Avouris, Graphene Field-Effect Transistors with High On/Off Current Ratio and Large Transport Band Gap at Room Temperature, Nano Letters 10 (2010) 715-718.
https://doi.org/10.1021/nl9039636
 
[7] Y. Zhang, T.-T. Tang, C. Girit, Z. Hao, M.C. Martin, A. Zettl, M.F. Crommie, Y.R. Shen, F. Wang, Direct observation of a widely tunable bandgap in bilayer graphene, Nature 459 (2009) 820-823.
https://doi.org/10.1038/nature08105
 
[8] M. Topsakal, E. Aktürk, S. Ciraci, First-principles study of two- and one-dimensional honeycomb structures of boron nitride, Physical Review B 79 (2009) 115442-115453.
10.1103/PhysRevB.79.115442
 
[9] L.H. Li, J. Cervenka, K. Watanabe, T. Taniguchi and Y. Chen, Strong Oxidation Resistance of Atomically Thin Boron Nitride Nanosheets, ACS Nano 8 (2014) 1457-1462.
https://doi.org/10.1021/nn500059s
[10] Q. Cai, D. Scullion, W. Gan, A. Falin, S. Zhang, K. Watanabe, T. Taniguchi, Y. Chen, E.J.G. Santos, L.H. Li, High thermal conductivity of high-quality monolayer boron nitride and its thermal expansion, Science Advances 5 (2019) 129-137.
https://doi.org/10.1126/sciadv.aav0129
 
[11] L. Sponza, H. Amara, C. Attaccalite, S. Latil, T. Galvani, F. Paleari, L. Wirtz and F. Ducastelle, Direct and indirect excitons in boron nitride polymorphs: A story of atomic configuration and electronic correlation, Physical Review B 98 (2018) 125206-125223.
10.1103/PhysRevB.98.125206
 
[12] J. Kang, L. Zhang, S.H. Wei, A Unified Understanding of the Thickness-Dependent Bandgap Transition in Hexagonal Two-Dimensional Semiconductors, The Journal of Physical Chemistry Letters 7 (2016) 597-602.
https://doi.org/10.1021/acs.jpclett.5b02687
 
[13] L. Wang, Y. Pu, A.K. Soh, Y. Shi and S. Liu, Layers dependent dielectric properties of two dimensional hexagonal boron nitridenanosheets, AIP Advances 6 (2016) 125126-125132.
https://doi.org/10.1063/1.4973566
 
[14] K. Zhang, Y. Feng, F. Wang, Z. Yang and J. Wang, Two dimensional hexagonal boron nitride (2D-hBN): synthesis, properties and applications, Journal of Materials Chemistry C 5 (2017) 11992-12022.
https://doi.org/10.1039/C7TC04300G
 
[15] S.-M. Choi, S.-H. Jhi, Y.-W. Son, Effects of strain on electronic properties of graphene, Physical Review B 81 (2010) 081407-081411.
 10.1103/PhysRevB.81.081407
 
[16] D. Moldovan, F.M. Peeters, Strain engineering of the electronic properties of bilayer graphene quantum dots, physica status solidi (RRL) – Rapid Research Letters 10 (2016) 39-45.
https://doi.org/10.1002/pssr.201510228
 
[17] X. Zhong, Y.K. Yap, R. Pandey and S.P. Karna, First-principles study of strain-induced modulation of energy gaps of graphene/BN and BN bilayers, Physical Review B 83 (2011) 193403-193407.
10.1103/PhysRevB.83.193403
 
[18] Y. Fujimoto, S. Saito, Effects of strain on carbon donors and acceptors in hexagonal boron nitride monolayers, Physical Review B 93 (2016) 045402-045409.
10.1103/PhysRevB.93.045402
 
[19] T. Han, Y. Luo and C. Wang, Effects of temperature and strain rate on the mechanical properties of hexagonal boron nitride nanosheets, Journal of Physics D: Applied Physics 47 (2013) 025303-025311.
https://doi.org/10.1088/0022-3727/47/2/025303
 
[20] Y. Fujimoto, T. Koretsune and S. Saito, Electronic structures of hexagonal boron-nitride monolayer: strain-induced effects, Journal of the Ceramic Society of Japan, 122 (2014) 346-348.
https://doi.org/10.2109/jcersj2.122.346
 
[21] P. Blaha, K. Schwarz, G. Madsen, D. Kvasnicka, J. Luitz, WIEN2k, An Augmented Plane Wave Plus Local Orbitals Program for Calculating Crystal Properties (Vienna University of Technology, Austria, 2001).
 
[22] J.P. Perdew, A. Zunger, Self-interaction correction to density-functional approximations for many-electron systems, Physical Review B 23 (1981) 5048-5079.
10.1103/PhysRevB.23.5048
 
[23] W.-Q. Han, L. Wu, Y. Zhu, K. Watanabe, T. Taniguchi, Structure of chemically derived mono- and few-atomic- layer boron nitride sheets, Applied Physics Letters 93 (2008) 223103-223106.
https://doi.org/10.1063/1.3041639
[24] Z. Yang, J. Ni, Modulation of electronic properties of hexagonal boron nitride bilayers by an electric field: A first principles study, Journal of Applied Physics 107 (2010) 104301-104305.
https://doi.org/10.1063/1.3373571
 
[25] G.-Y. Guo, Systematic ab initio study of the optical properties of BN nanotubes, Physical Review B 71 (2005) 165402-165414.
10.1103/PhysRevB.71.165402
 
[26] Y. Fujimoto, S. Saito, Band engineering and relative stabilities of hexagonal boron nitride bilayers under biaxial strain, Physical Review B 94 (2016) 245427-245435.
10.1103/PhysRevB.94.245427
 
[27] R. Abt, C. Ambrosch-Draxl, P. Knoll, Optical response of high temperature superconductors by full potential LAPW band structure calculations, Physica B: Condensed Matter 194-196 (1994) 1451-1452.
https://doi.org/10.1016/0921-4526(94)91225-4
 
[28] C.F. Klingshirn, "Semiconductor Optics", Springer (2006).
پژوهش سیستم های بس ذره ای
دوره 9، شماره 4 - شماره پیاپی 23
فصلنامه زمستان 1398
زمستان 1398
صفحه 1-11

  • تاریخ دریافت 20 مهر 1397
  • تاریخ بازنگری 04 آبان 1398
  • تاریخ پذیرش 07 بهمن 1398