Формирование вакансионных дефектов в двумерных структурах

В последние годы двумерные материалы привлекают к себе внимание благодаря своим уникальным свойствам и широкому применению в различных областях, таких как электроника и оптика [1]. Графен, представляющий собой один слой атомов углерода, расположенных в гексагональной решетке, является одним из наиболее известных двумерных материалов. Однако изучение двумерных структур выходит за рамки графена и включает в себя другие материалы, такие как дихалькогениды переходных металлов, фосфорен и гексагональный нитрид бора [2].

Хотя двумерные материалы обладают замечательными свойствами, они не застрахованы от дефектов. Одним из распространенных типов дефектов является вакансия, когда один или несколько атомов отсутствуют в кристаллической решетке [3]. На образование вакансий влияют следующие факторы:

• 1.    Тепловые флуктуации: повышение температуры приводит к усилению атомных колебаний, что облегчает атомам смещаться со своих мест в решетке.

• 2.    Радиационное облучение: облучение высокоэнергетическими частицами, такими как электроны или ионы, может вызвать образование вакантных дефектов в двумерных материалах. Удар этих частиц может вытеснить атомы из мест решетки, создавая вакансии. Этот эффект особенно важен в тех случаях, когда двумерные материалы подвергаются облучению.

• 3.    Химические реакции: воздействие газов или жидкостей может привести к удалению атомов из решетки в результате химических реакций. Это особенно актуально для конкретных применений, когда химические модификации могут непреднамеренно приводить к появлению вакантных дефектов.

• 4.    Механическая деформация: деформация может нарушить кристаллическую решетку, что приведет к образованию вакансий, поскольку материал пытается снять напряжение. Это важно, когда двумерные материалы испытывают механическую нагрузку или интегрированы в гибкие устройства [4].

Наличие вакантных дефектов может существенно изменить геометрические, электронные, оптические и механические свойства двумерных материалов. В некоторых случаях вакантные дефекты могут выступать в качестве носителей заряда, влияя на проводимость структуры. Понимание влияния вакансий необходимо для оптимизации характеристик двумерных материалов в электронных устройствах, сенсорах и катализе.

Исследование образование вакансии рассматривалось на структуре плоского бора [5]. Расчеты проводились полуэмпи-рическим методом – MNDO. Чтобы смоделировать образование вакансионного дефекта один из атомов бора (рис. 1) пошагово удалялся от поверхности слоя с интервалом 0,1 Å.

Рис. 1. Атом бора, участвующий в образовании вакансии

В каждой точке вычислялась энергия системы, зависимость энергии от расстояния представлена на рисунке 2. Энергия формирования дефекта рассчитывалась по формуле: Еd = Eслоя – (Eдеф + EB), где Eслоя – энергия идеального слоя плоского бора, Eдеф – энергия структуры с вакансией, EВ – энергия атома бора. Энергия образования дефекта оказалась равной 14,9 эВ.

Рис. 2. Зависимость энергии от расстояния между вырываемым атомом бора и поверхностью слоя плоского бора

Поиск устойчивого положения системы показал, что атомы, находящиеся вокруг вакансии, смещаются к месту локализации вакансии. Подробное изучение геометрических параметров слоя при отрыве атома бора показало, что на расстоянии 0,4 Å от плоскости происходит нарушение плоской структуры бора, а именно вместе с удаляющемся атомом соседние атомы приподнимаются. На расстоянии 0,7 Å происходит удлинение и разрыв В-В связей, при этом атомы поверхности возвращаются в исходное состояние и слой становиться плоским. Дальнейшее удаление атома приводит к тому, что атомы вблизи вакансии изменяют своё положение и в структуре образовались пентагоны (рис. 3). Далее происходит незначительное перераспределение атомов в слое. На расстоянии 2,6 Å влияние атома В, удаленного из слоя становится незначительным.

Рис. 3. Фрагмент слоя плоского бора с дефектом поверхности

Образование вакансионных дефектов в их образования имеет решающее значение двумерных структурах - сложное явление, на которое влияют различные факторы, такие как температура, радиационное облучение, химические реакции и механическая деформация. Хотя дефекты неизбеж- для использования всего потенциала двумерных материалов. Необходимо изучать способы образования и манипулирования вакантными дефектами для изменения свойств двумерных материалов.

ны, всестороннее понимание механизмов