Os efeitos do substrato e do empilhamento no borofeno de bicamada

Scientific Reports volume 12, Artigo número: 13661 (2022) Citar este artigo

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O borofeno bicamada atraiu recentemente muito interesse devido às suas excelentes propriedades mecânicas e eletrônicas. As interações intercamadas dessas bicamadas são relatadas de forma diferente em estudos teóricos e experimentais. Aqui, projetamos e investigamos a bicamada \(\beta _{12}\) borofeno, por meio de cálculos de primeiros princípios. Nossos resultados mostram que a distância intercamada da bicamada empilhada AA relaxada é de cerca de 2,5 Å, sugerindo uma interação intercamada de van der Waals. No entanto, isto não é apoiado por experiências anteriores, portanto, ao restringir a distância entre camadas, propomos um modelo preferido que se aproxima dos registos experimentais. Este modelo preferido possui uma ligação intercamada covalente em cada célula unitária (pilar único). Além disso, argumentamos que o modelo preferido nada mais é do que o modelo relaxado sob uma compressão de 2%. Além disso, projetamos três bicamadas suportadas por substrato nos substratos Ag, Al e Au, que levam a estruturas de pilar duplo. Posteriormente, investigamos o empilhamento AB, que forma ligações covalentes na forma relaxada, sem necessidade de compressão ou substrato. Além disso, a dispersão de fônons mostra que, diferentemente do empilhamento AA, o empilhamento AB é estável na forma independente. Posteriormente, calculamos as propriedades mecânicas dos empilhamentos AA e AB. As resistências últimas dos empilhamentos AA e AB são 29,72 N/m a 12% de deformação e 23,18 N/m a 8% de deformação, respectivamente. Além disso, os módulos de Young calculados são 419 N/m e 356 N/m para os empilhamentos AA e AB, respectivamente. Estes resultados mostram a superioridade do borofeno de bicamada sobre a bicamada \(\hbox {MoS}_2\) em termos de rigidez e complacência. Nossos resultados podem abrir caminho para estudos futuros sobre estruturas de borofeno de bicamada.

O borofeno atraiu recentemente um grande interesse pelas suas excelentes propriedades eletrônicas e mecânicas1,2,3,4,5,6. É o material 2D mais leve, o que o torna um candidato promissor para nanodispositivos leves7,8,9. Além disso, a deficiência de elétrons dos átomos de boro causa ligações complexas que, por sua vez, resultam em diversos alótropos para o borofeno. Essas diferentes fases são definidas por diferentes arranjos de hexágonos sagrados (HHs) e números de concentração de HH correspondentes (\(\eta \) ou \(\nu \) em alguns artigos). As fases mais interessantes do borofeno incluem \(\alpha ~(\eta =1/9)\), \(\beta _{12}~(\eta =1/6)\), e \(\chi _3~ (\eta =1/5)\)10,11,12,13,14.

Além da monocamada, os borofenos de bicamada também têm atraído muita atenção. Esperava-se que o borofeno de bicamada fosse mais estável que o borofeno de monocamada devido à ligação entre camadas . Até o momento, muitos trabalhos teóricos e experimentais foram conduzidos sobre diferentes alótropos de borofeno de bicamada e suas propriedades . Além disso, ainda existem diversas questões a serem respondidas. Por exemplo, estudos teóricos sugeriram a distância entre camadas do borofeno de bicamada na faixa de 2,5–3 Å, sugerindo uma interação de van der Waals (vdW) entre as camadas . No entanto, os borofenos de bicamada sintetizados apresentam uma distância intercamada muito mais próxima, em torno de 2 Å, implicando ligações covalentes relativamente fortes . No entanto, alguns estudos teóricos consideraram algumas restrições para projetar os borofenos de bicamada com distância intercamadas semelhante ao experimento . As energias de formação e as dispersões de fônons provam que os modelos restritos são mais estáveis ​​que os modelos totalmente relaxados.

Neste artigo, por meio de cálculos de primeiros princípios, respondemos por que o acoplamento intercamadas no borofeno de bicamada deve ser covalente e sob quais condições isso ocorre. Primeiro investigamos a bicamada \(\beta _{12}\) borofeno sem restringir a distância entre camadas, ou “o modelo relaxado”. Posteriormente, aplicando a restrição da distância intercamadas chegamos a uma estrutura mais semelhante às observações experimentais, denominada “o modelo preferido”. Este modelo, que possui uma ligação intercamada covalente em cada célula unitária, é mais favorável que o modelo relaxado. Curiosamente, ao aplicar tensão compressiva no modelo relaxado, ele sofre uma transição para o modelo preferido e formam-se ligações covalentes entre as camadas. Em outras palavras, sugerimos que o modelo preferido nada mais é do que o modelo relaxado sob compressão.