מבוא לתיאוריה פונקציונלית הכחדת חומרים 2D

תורת תפקוד הכחשה (DFT) התפתחה כאחד הכלים החישוביים המשפיעים ביותר במדעי החומרים המודרניים.על ידי טיפול בבעיה האלקטרונית של גוף רבים באמצעות תיאור חד-חלקיק יעיל, DFT מאפשר לחוקרים לחזות מגוון רחב של תכונות חומריות - החל מזמני אטיצ'ה ויצירה של מבנים אופטיים - ללא צורך עבור זמן יקר וניסוי ניסיוני-טרור-טרור-טרור-טרור-טרור-היתר דיוק; במיוחד של מערכות חישוביות.

שני חומרים (2D) המוגדרים כ מוצקות גבישיות עם עובי בקנה מידה אטומי וממדים מאוחרים מורחבים, מושכים עניין עצום מאז בידוד גרפן בשנת 2004. המימדליות מופחתת שלהם מעלה להתנהגויות אלקטרוניות, אופטיות ומכניות שאינן ננעלות במקבילות גדולות.עם זאת, ניצול התכונות האלה עבור מכשירים מעשיים דורש שליטה מדויקת על המבנה האלקטרוני שלהם - אתגר ש-DFT הוא ייחודי לכתובת זו.

הבנת חומרים דו-ממדיים

חומרים דו-ממדיים כוללים משפחה מגוונת של גבישים שכבתיים שניתן להגר או לגדול לתוך סדינים דקים אטומיים.המאפיין שלהם הוא הגבלת קוונטית בכיוון אחד, אשר תוצאות במדינות אלקטרוניות אשר ברובן מוגבלות למטוס. זה מגביל מאוד את צפיפות של מדינות, אנרגיות מחייבות exciton, ותופעות תחבורה.

משפחות גדולות של 2D חומרים

  • (FLT:0)Graphene: 1FLT:1 A monolayer של אטומי פחמן בלחיצות דבש.זה מציג ניידות גבוהה מאוד, כוח מכני, ו מוליכות תרמית. המבנה האלקטרוני אפס-bandgap שלה, עם זאת, מגביל את השימוש שלה באפליקציות לוגיות דיגיטליות.
  • (FLT:0 Transition Metal Dichalcogenides (TMDs): קונסולת 1:1 קומפלקסים של הטופס MX2 (M=Mo; X=S, S, S, TE) בניגוד גרפן, רבים TMDs יש להקה ישירה בצורת מונוקה, מה שהופך אותם אטרקטיבי עבור טרנזירים, photodetectors, ו-Light-emitting מכשירים הם נבדקים ביותר.
  • (FLT:0)Phosphorene: 1FLT:1 A monolayer של זרחן שחור.It כולל טעת ישירות טונהפול אשר תלויה במספר השכבות, יחד עם תכונות אלקטרוניות ומכניות גבוהות מאוד.
  • (ה-BN): 0 (Hexagonal Boron Nitride (h-BN): FLT:1 An insulating 2D חומר עם להקות רחבות (~ 6 eV) הוא משמש לעתים קרובות כשכבה טבולית או encapsulation עבור חומרים אחרים 2D.
  • (FLT:0)MXenesib: 1FLT: A-class חדש יחסית של מעבר מתכת carbides ו nitrides, המציע מוליכות מתכתית ומשטחים הידרופיליים המתאימים לאחסון אנרגיה והתערבות אלקטרומגנטית מגן.

כל משפחה מספקת מבנה אלקטרוני בסיסי ייחודי, אשר ניתן לשנות עוד באמצעות הפרעות חיצוניות או הנדסה מבנית.ד.ד. משמש ככלי חישובי העיקרי לחיזוי איך שינויים כאלה משנים את החומר ו- #8217; תכונות.

תפקידה של תורת ההכחשה

DFT הוא מוטבע במשפטי Hohenberg-Kohn, אשר קובע כי האנרגיה הקרקעית של מערכת אלקטרונית רבים היא פונקציה ייחודית של צפיפות האלקטרונים.הגישה קוהן-שהם הופכת את הבעיה אינטראקציה לתוך קבוצה של חלקיקים שאינם מתחדשים הנעים פוטנציאל פונקציונלי, צמצום עצום של מורכבות חישובית.

חומרים מרכזיים והשפעותיהם על חומרים 2D

  • (FLT:0) דמיונות מקומיים (LDA): אסטמאלי: 1 אסמים כי אנרגיית XC לאלקטרונית היא זהה בגז אלקטרוני אחיד. בעוד זול חישובי, LDA לעתים קרובות overestimates אנרגיות מחייבות וממעיטת תחליפים של 2D, זה עשוי לחזות באופן שגוי את המבנה הקרקעי של מערכות עור ונדמנטליות.
  • (FLT:0) כללי Gradient Approximation (GGA), למשל, PBE:FLT:1 משלב את ⁇ של צפיפות, שיפור הדיוק עבור אג"ח והבדלים אנרגיה. עם זאת, GGA סטנדרטית אינה מצליחה ללכוד את ואן דר Waals (vdW) אינטראקציות, אשר קריטי עבור הדחיסות הבין-צדדית והה של 2D חומרים.
  • (FLT:0)Van der Waals לתקן פונקציות:BuildFLT (ד"ר: 1 שיטות כגון DFT-D2, DFT-D3 (Grimme), ו- vdW-DF כוללות תיקונים חצי-אמפיריים או לא-מקומיים כדי לתאר כוחות פיזור.אלה חיוניים לחיזוי הצנרת הבין-אישית, אנרגיות מחייבות, ומבנה אלקטרוני של מערכות מרובות-Dlayer.
  • (FLT:0)Hybrid Functionals (למשל, HSE06:FreaLT 1: Mix חלק של החלפת Hartree-Fock מדויקת עם GGA, מניבה יותר פסים מדויקים עבור מוליכים למחצה ו insulators. forTMDs and phosphorene, HSE06 מספק לעתים קרובות ערכי להקות קרוב מדידות ניסיוניות, בעלות חישובית גבוהה יותר.
  • (FLT:0G0W0 תיקון: FIRLT:1) גישה של גוף רבים החל על גבי DFT כדי לשפר עוד אנרגיות חלקיקים. G0W0 נחשב תקן הזהב עבור להקות אבל הוא אינטנסיבי חישובי, הגבלת השימוש שלו במחקרים גבוהים.

בפועל, זרימת עבודה טיפוסית DFT עבור חומר 2D כרוך בבניית תא עם שכבת אבק (15-20 ⁇ ) כדי לחסל אינטראקציות מעוררות בין תמונות תקופתיות, בחירת פונקציונלי מתאים עבור הנכס היעד, ומינוף החישוב עם כבוד לחיתוך גלי מטוס ו k- k-point sampling. קודים מודרניים רבים (VA, Quantum ESPRESSO, GPAW, CP2K) כוללים שגרה עבור מערכות 2D.

אסטרטגיות ל Tuning Electronic Properties

DFT מאפשר לחוקרים לחקור באופן שיטתי שטח פרמטר רחב של שינויים ל- prise 2D . להלן הן האסטרטגיות הנפוצות ביותר עבור כוונון המבנה האלקטרוני, יחד עם תובנות DFT לתוך המנגנונים והתוצאות שלהם.

לעשות ו-Alloying

מינון משנהי או בין-תחומי מציג אטומים זרים שיכולים לתרום או לקבל אלקטרונים, שינוי רמת פרמי ולשנות ריכוזי נושא.לדוגמה, החלפת אטום גופר במוS2 עם חמצן או סלניום ניסיונית או סרום משנה את ה- Dgap ומציגה את מצבי ה- DFTC.DFT יכול לחזות את האנרגיה של תצורה דו-טיפוס, וכתוצאה מכך רמות החנקן של סיליקון-D2, אשר הוכחויגפ-ההתנהגות מוצקה-D.

הנדסה סטרינס

עיוות מכני הוא knob רב עוצמה לשליטה במבנה האלקטרוני של חומרים 2D בגלל הגמישות המכנית יוצאת הדופן שלהם - הם יכולים לעמוד זנים של עד 10-20% לפני הכישלון. DFT סימולציות החל מ- biaal או uniaal לחשוף שינויים שיטתיים ב- p, מסה יעילה ואפילו להקה inversion Molayer2, דחיסות מפחיתה ישירה של הלהקה בשלב זה של 10gapto-transtras.

Hetero Structures ו Moiré Engineering

חיתוך חומרים 2D שונים ללא קשר covalent interlayer יוצר ואן דר Waals hetero מבנים, שבו הנכסים וכתוצאה מכך לעתים קרובות עולה על אלה של שכבות בודדים. DFT כבר אינסטרומנטציה בחיזוי האינטגרציה (סוג I, הקלד II, או סוג III) בממשק, כמו גם העברה אחראית והתערבות מתמשכת.

תפקוד כימי

שילוב קבוצות כימיות אל פני השטח של חומר 2D יכול לשנות באופן דרמטי את האופי האלקטרוני שלה. הידרוגנס של גרפן מייצרת גרפן, נגזרת מרתיעה עם אותו משככי דבש אבל ספירה3 מתחבר באופן דומה, פלואורנטיה, חמצון, או פונקציונליות קוהנדסה אחרת יכול לפתוח להקה בגרף או לשנות את הפונקציה העבודה.

שדה חשמלי ומסך דיאלקטרי

החל שדה חשמלי חיצוני perpendicular אל המטוס של חומר 2D גורם אפקט Stark שיכול לשנות להקות ולהפחית את ה- Bandgap. Bilayer גרפן, למשל, פותח להקות טונה מתחת לשדה עקירה, כפי שחזה על ידי DFT ו-Didididididic אפקטים (Dytraph) או סימולציה נוזלית (Dicial) כולל גם אפקט שדה גמיש בגלל עובי קצר יותר, אך עדיין מודולריות (Dic Model) ואפקטים) של דגם מכני).

הנדסה Defect

פגמים מסוימים - vacancies, Antisites, או גבולות דגנים - הם בלתי נמנעים מסנזה בקנה מידה גדול ויכול לשלוט התחבורה האלקטרונית. DFT יכול לחזות את האנרגיות והעלויות של מעבר מטען של פגמים שונים.לדוגמה, קצבה בשלב sulfur ב MoS2 מציג מצב תורם עמוק שפועל כמו מלכודת עבור אלקטרונים ומגבלות של ביצועים transistor-of-verse.

מחקרים: DFT-Guided Tuning of 2D Materials

Strain-Induced Bandgap הנדסה במו"ס2

מספר מחקרים DFT באמצעות הפונקציה PBE עם ואן דר ו מטרות תיקונים ממפה את ה-S2 של מונופלה MoS2 כתפקוד של זן מביהקסיאלי. at Zero, את ה-Sgap הישיר ב- K הוא בערך 1.8 eV (PBE) או 2.5 eV (HSE06.תחת 2 זנים מודרכים, הפערים הישירים על ידי - eV, בעוד הפערים בתוך פער ניסיוני בין היתר עובר חיזוי דומה ל-R.

מינון של Phosphorene עבור אנשי קשר אלקטרוניים

עם זאת, נוכחות של פגמים מקומיים והשפלה באוויר נשאר אתגרים.DFT על ידי Guo et al. (2014) חקר פיזור שדה-אפקטיבית עם קבוצה IV ו V אלמנטים. הם מצאו כי Si ו- Ge לפעול כמו n-typeants, בעוד ש- Sb הם נבדקים באסטרטגיות קידוד ישירות על ידי DSEO - רק על ידי קידודים אלה.

שם הסרטון: Bilayer Graphene

התגלית של מצבי אינסטלטור תואמים ו מוליכות על-ידי מתכת מפועמת בגרף דו-שכבות (MATBG) עוררה חקירה נרחבת של DFT, למרות שסטנדרט DFT בתאים גדולים של moiré הוא אסרטיבי, צפיפות-תפקודי חזק (DFTB) ומודלים היברידיים המשלבים סימולציות רצף של רצף להקות שטוחות ליד זווית הקסם (1.1 מעלות) אשר ניתן גם להתאים את הסימולציות של סימולציה של לחץ על ידי סימולציה של לחץ על ידי סימולציה סימולציה סימולציה סימולציה סימולציה סימולציה סימולציה סימולציה סימולציה גרורתית (DFTB) אשר ניתן גם כן).

אתגרים ומגבלות של DFT עבור חומרים 2D

למרות הצלחותיו, DFT אינו תרופת פלאאצה.מגבלות ידועות רבות משפיעות על האמינות של תחזיות עבור מערכות 2D:

  • (FLT:0)Bandgap underestimation: ההרחבה 1 (LDA ו-GGA מזלזלים בחומרה בלהקות בגלל טעות של פעולה עצמית, בעוד פונקציונליות היברידית ו-G0W0 תיקונים משפרים את הדיוק, הם באים עם עלות חישובית מוגברת משמעותית, הגבלת השימוש שלהם בהקרנה גבוהה של מחשבים.
  • (FLT:0) ואן דר וואלידים אינטראקציה: FIRLT:1 ; חומרים 2D רבים מתקיימים יחד מול רב-שכבות על ידי כוחות vdW חלשים, פונקציונליות חצילוקלית סטנדרטית לא לתאר אינטראקציות אלה, מה שמוביל למרחקים לא נכונים ואנרגיות מחייבות.גם עם תיקונים vdW, התוצאות יכולות להיות תלויות בתוכנית התיקון שנבחרה (למשל DFT-D לעומת VD3D לעומת V-WD).
  • (FLT:0) Exciated-state Properties:FLT:1 DFT היא תיאוריה של מדינה קרקעית. קליטה אופטית, Exciton מחייב, ו luminescence דורש DFT תלוי בזמן (TDDFT) או תיאוריה של גוף רבים (Bethe-Salpeter משוואה) עבור חומרים 2D, אינטראקציה משופרת Coomb מוביל לאנרגיות גדולות המחייבות (V) עבור משוואות DV2DPSDPS (הסטנדרטים עבור חומרים סטנדרטיים עבור חומרים סטנדרטיים).
  • (FLT:0) תאים ליחידות של Defects ו- Twisted Systems:Fillo:1 מודלים של ריכוזים פגומים מציאותיים או תבניות moiré לעתים קרובות דורשות תאי על עם מאות או אלפי אטומים, דוחף את הגבולות של גלי מטוס DFT. שיטות חלופיות כגון DFTB, פוטנציאלים למידה מכונה, או ירידה גישות הכרחיות לטיפול במערכות כאלה.
  • (FLT:0) תלות סביבתית: ההרחבה: 1) התכונות האלקטרוניות של חומרים 2D רגישים מאוד לסביבה - substrates, encapsulating h-BN, או משטח מזהמים.DFT חישובים בדרך כלל כיס נקי, חופשי בעל אופי, אשר לא יכול לשקף מציאות ניסיונית ללא תוכניות מטבוליות מתוחכמת.

כיוונים עתידיים: שילוב DFT עם Machine Learning ו-High-באמצעות חישוב

המרחב הכימי והמבני העצום של חומרים 2D - מיליוני מונו-שכבות פוטנציאליות - לא ניתן לחקור באופן ידני.הבדיקה גבוהה באמצעות חישוב DFT DFT התפתחה כפרדיגמה חזקה, שבו זרמי עבודה אוטומטיים מחשבים תכונות כמו יציבות, להקות, ותפקוד עבודה עבור אלפי מועמדים.פרויקטים כגון פרויקט החומרים, AFLOW, ו- JARVIS-DFT כוללים מסדי נתונים של 2D חומרים שמקורם DFT (D) מ-D.

מודלים של למידת מכונה (ML) שהוכשרו על נתונים DFT מאיצים עוד תגלית.רשתות ניליות ותהליך גאוסיאנית יכולים לחזות להקות, אנרגיות היווצרות ואפילו צפיפות מלאה של מדינות עם דיוק DFT במילימטרים, ללא פתרון משוואות החומר קוהן-Sham. עבור 2D חומרים, מודלים של ML פותחו כדי לחזות את ה-Ggap של TMD כפונקציה של פונקציות של קומפוזיציה ו-Xb, כדי לזהות את השלבים החדשים של חומרים מתקדמים.

גבול נוסף הוא השילוב של DFT עם לולאות משוב ניסיוני.על ידי שילוב תחזיות DFT עם סינתזה ואפיון, החוקרים יכולים לסגור את הלולאה: DFT מציע ריכוז אופטימלי עבור להקה הרצויה, ניסויים להגדיל את החומר, ואת המבנה המתקבל מאופיין (XRD, PL, AES) כדי לאמת או לחדד את מודל DFT כזה סגור כבר הוכח עבור 2D סגסוגת.

מסקנה

תורת תפקוד הכחשה הוכיחה הכרחי להבנת והנדסה את התכונות האלקטרוניות של חומרים דו-ממדיים.היכולת שלה לחזות כיצד לעשות, מתח, היטרולציה, פונקציונליות, פגמים לשנות את מבנה הלהקה ודינמיקה של ספקים מספק מפת דרכים עבור סינתזה ניסיונית ועיצוב המכשיר. בעוד אתגרים סוגרים דיוק (במיוחד עבור להקות, קטעים, ומערכות בקנה מידה גדול) נמשכים, התפתחויות מתמשך בחילופין וחילופים, בין שיטות תיקון פונקציונליות רבות.

הסינרגיה בין DFT לטכניקות למידת מכונה מתעוררות מבטיחה להאיץ את גילוי החומרים 2D עם פונקציות אלקטרוניות מותאמות - מטרנסיסטים גמישים לחיישנים קוונטיים.עבור חוקרים נכנסים לתחום, לשלוט בסימולציות DFT בתוך מסגרת גבוהה דרך גבוהה הופך חיוני כמו טכניקות סטנדרטיות של אופייזציה.כפי שכוח חישובי ממשיך לגדול ואלגוריתמים מתקדמים, DFT יישאר אבן הפינה של חומרים 2D, אשר יוצר ישירות בדור האלקטרוני הבא.

לקריאה נוספת, להתייעץ עם סקירה מקיפה של Heine (2015) על חומרים חישוביים 2D חומרים (FLT: ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇