Les effets du substrat et de l'empilement dans le borophène bicouche

Rapports scientifiques volume 12, Numéro d'article : 13661 (2022) Citer cet article

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Le borophène bicouche a récemment suscité beaucoup d'intérêt en raison de ses propriétés mécaniques et électroniques exceptionnelles. Les interactions intercouches de ces bicouches sont rapportées différemment dans les études théoriques et expérimentales. Ici, nous concevons et étudions le borophène bicouche \(\beta _{12}\), par des calculs de principes premiers. Nos résultats montrent que la distance intercouche de la bicouche empilée AA détendue est d'environ 2, 5 Å, suggérant une interaction intercouche de Van der Waals. Cependant, cela n'est pas étayé par les expériences précédentes. Par conséquent, en limitant la distance intercouche, nous proposons un modèle préféré proche des enregistrements expérimentaux. Ce modèle préféré comporte une liaison intercouche covalente dans chaque cellule unitaire (pilier unique). De plus, nous soutenons que le modèle préféré n’est rien d’autre que le modèle détendu sous une compression de 2 %. De plus, nous avons conçu trois bicouches supportées par un substrat sur les substrats Ag, Al et Au, ce qui conduit à des structures à double pilier. Ensuite, nous étudions l’empilement AB, qui forme des liaisons covalentes sous forme relâchée, sans avoir besoin de compression ni de substrat. De plus, la dispersion des phonons montre que, contrairement à l’empilement AA, l’empilement AB est stable sous forme autonome. Par la suite, nous calculons les propriétés mécaniques des empilements AA et AB. Les résistances ultimes des empilements AA et AB sont respectivement de 29,72 N/m à 12 % de déformation et de 23,18 N/m à 8 % de déformation. De plus, les modules de Young calculés sont respectivement de 419 N/m et 356 N/m pour les empilements AA et AB. Ces résultats montrent la supériorité du borophène bicouche sur le bicouche \(\hbox {MoS}_2\) en termes de rigidité et de souplesse. Nos résultats peuvent ouvrir la voie à de futures études sur les structures bicouches du borophène.

Le borophène a récemment suscité un regain d'intérêt pour ses propriétés électroniques et mécaniques exceptionnelles1,2,3,4,5,6. Il s’agit du matériau 2D le plus léger, ce qui en fait un candidat prometteur pour les nanodispositifs légers7,8,9. De plus, la carence électronique des atomes de bore provoque des liaisons complexes qui à leur tour aboutissent à divers allotropes pour le borophène. Ces différentes phases sont définies par différents arrangements d'hexagones sacrés (HH) et de nombres de concentration HH correspondants (\(\eta \) ou \(\nu \) dans certains articles). Les phases les plus intéressantes du borophène comprennent \(\alpha ~(\eta =1/9)\), \(\beta _{12}~(\eta =1/6)\), et \(\chi _3~ (\eta =1/5)\)10,11,12,13,14.

En plus des borophènes monocouches, les borophènes bicouches ont également attiré beaucoup d'attention. On s’attendait à ce que le borophène bicouche soit plus stable que le borophène monocouche en raison de la liaison intercouche15. À ce jour, de nombreux travaux théoriques et expérimentaux ont été menés au sujet des différents allotropes bicouches de borophène et de leurs propriétés15,16,17,18. De plus, diverses questions restent encore sans réponse. Par exemple, des études théoriques ont suggéré que la distance intercouche du borophène bicouche était comprise entre 2, 5 et 3 Å, suggérant une interaction de Van der Waals (vdW) entre les couches . Cependant, les borophènes bicouches synthétisés présentent une distance intercouche beaucoup plus proche, autour de 2 Å, ce qui implique des liaisons covalentes relativement fortes . Cependant, certaines études théoriques ont pris en compte certaines contraintes pour concevoir des borophènes bicouches avec une distance intercouche similaire à celle de l'expérience . Les énergies de formation et les dispersions de phonons prouvent que les modèles contraints sont plus stables que les modèles totalement détendus.

Dans cet article, par des calculs de principes fondamentaux, nous expliquons pourquoi le couplage intercouche dans le borophène bicouche devrait être covalent et dans quelles conditions cela se produit. Nous étudions d’abord le borophène bicouche \(\beta _{12}\) sans contraindre la distance intercouche, ou « le modèle détendu ». Ensuite, en appliquant la contrainte de distance intercouche, nous atteignons une structure plus similaire aux observations expérimentales, formulée comme « le modèle préféré ». Ce modèle, qui comporte une liaison intercouche covalente dans chaque cellule unitaire, est plus favorable que le modèle assoupli. Fait intéressant, en appliquant une contrainte de compression sur le modèle détendu, celui-ci subit une transition vers le modèle préféré et des liaisons covalentes se forment entre les couches. En d’autres termes, nous suggérons que le modèle préféré n’est autre que le modèle détendu sous compression.