Gli effetti del substrato e dell'impilamento nel borofene a doppio strato

Scientific Reports volume 12, numero articolo: 13661 (2022) Citare questo articolo

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Il borofene a doppio strato ha recentemente attirato molto interesse grazie alle sue eccezionali proprietà meccaniche ed elettroniche. Le interazioni tra gli strati di questi doppi strati sono riportate in modo diverso negli studi teorici e sperimentali. Qui, progettiamo e investighiamo il doppio strato \(\beta _{12}\) borofene, mediante calcoli da principi primi. I nostri risultati mostrano che la distanza tra gli strati del doppio strato rilassato AA-impilato è di circa 2,5 Å, suggerendo un'interazione tra gli strati di van der Waals. Tuttavia, ciò non è supportato da esperimenti precedenti, pertanto, vincolando la distanza tra gli strati, proponiamo un modello preferito che si avvicina ai record sperimentali. Questo modello preferito ha un legame covalente interstrato in ogni cella unitaria (pilastro singolo). Inoltre, sosteniamo che il modello preferito non è altro che il modello rilassato con una compressione del 2%. Inoltre, abbiamo progettato tre doppi strati supportati da substrati sui substrati Ag, Al e Au, che portano a strutture a doppio pilastro. Successivamente, indaghiamo sull'impilamento AB, che forma legami covalenti in forma rilassata, senza necessità di compressione o substrato. Inoltre, la dispersione dei fononi mostra che, a differenza dell'impilamento AA, l'impilamento AB è stabile in forma indipendente. Successivamente, calcoliamo le proprietà meccaniche degli impilamenti AA e AB. Le resistenze ultime degli accatastamenti AA e AB sono rispettivamente 29,72 N/m al 12% di deformazione e 23,18 N/m all'8% di deformazione. Inoltre, i moduli di Young calcolati sono 419 N/m e 356 N/m rispettivamente per gli stack AA e AB. Questi risultati mostrano la superiorità del doppio strato di borofene rispetto al doppio strato \(\hbox {MoS}_2\) in termini di rigidità e conformità. I nostri risultati possono aprire la strada a studi futuri sulle strutture del borofene a doppio strato.

Il borofene ha recentemente attirato un grande interesse per le sue eccezionali proprietà elettroniche e meccaniche1,2,3,4,5,6. È il materiale 2D più leggero, il che lo rende un candidato promettente per nanodispositivi leggeri7,8,9. Inoltre, la carenza di elettroni degli atomi di boro provoca legami complessi che a loro volta si traducono in diversi allotropi per il borofene. Queste diverse fasi sono definite da diverse disposizioni di esagoni cavi (HH) e dai corrispondenti numeri di concentrazione di HH (\(\eta \) o \(\nu \) in alcuni documenti). Le fasi più interessate del borofene includono \(\alpha ~(\eta =1/9)\), \(\beta _{12}~(\eta =1/6)\) e \(\chi _3~ (\eta =1/5)\)10,11,12,13,14.

Oltre al monostrato, anche i borofeni a doppio strato hanno attirato molta attenzione. Ci si aspettava che il borofene a doppio strato fosse più stabile del borofene a monostrato a causa del legame tra gli strati15. Ad oggi, sono stati condotti molti lavori teorici e sperimentali sui diversi allotropi del borofene a doppio strato e sulle loro proprietà15,16,17,18. Inoltre ci sono ancora diverse domande a cui rispondere. Ad esempio, studi teorici hanno suggerito che la distanza tra gli strati del doppio strato di borofene è compresa tra 2,5 e 3 Å, suggerendo un'interazione di van der Waals (vdW) tra gli strati19,20,21. Tuttavia, i borofeni a doppio strato sintetizzati mostrano una distanza interstrato molto più ravvicinata, intorno a 2 Å, il che implica legami covalenti relativamente forti22,23. Tuttavia, alcuni studi teorici hanno considerato alcuni vincoli per progettare i borofeni a doppio strato con una distanza interstrato simile a quella dell'esperimento16,24. Le energie di formazione e le dispersioni fononiche dimostrano che i modelli vincolati sono più stabili dei modelli completamente rilassati.

In questo articolo, mediante calcoli basati sui principi primi, rispondiamo perché l'accoppiamento interstrato nel borofene a doppio strato dovrebbe essere covalente e in quali condizioni ciò avviene. Per prima cosa investighiamo il doppio strato \(\beta _{12}\) borofene senza vincolare la distanza tra gli strati, o “il modello rilassato”. Successivamente, applicando il vincolo della distanza interstrato si raggiunge una struttura più simile alle osservazioni sperimentali, definita “il modello preferito”. Questo modello, che ha un legame covalente interstrato in ciascuna cella unitaria, è più favorevole del modello rilassato. È interessante notare che, applicando una deformazione compressiva sul modello rilassato, questo subisce una transizione al modello preferito e si formano legami covalenti tra gli strati. In altre parole, suggeriamo che il modello preferito non sia altro che il modello rilassato e compresso.