2D Malzeme Araştırmasında Ikyo Fonksiyonel Teorisine Giriş

Mekanik Fonksiyonel Teori (DFT) modern malzemeler bilimdeki en etkili hesaplama araçlarından biri olarak ortaya çıktı. Etkili tek bir parça açıklaması yoluyla birçok elektron problemini tedavi ederek, DFT, araştırmacıların geniş bir miktar malzeme özelliklerini tahmin etmesini sağlar - lattice sabitleri ve formasyon enerjilerinden özellikle düşük boyutlu sistemlerin çalışmalarından elde etmesini sağlar.

İki boyutlu (2D) malzemeler, atomik kalınlık ve genişletilmiş daha sonra boyutları ile kristal katı olarak tanımlanıyor, DFT'nin 2004 yılında gerçekleştirdiğinden beri büyük ilgi çekti. Bu makale, DFT'nin izolasyonu, 2D malzemelere ve büyük ölçüde uygun olmayan elektronik özelliklerle ortaya çıkıyor. ancak, bu özellikleri bir sonraki nesil elektronik, optoelektronik ve enerji teknolojileri ile tanışmayı gerektiriyor.

İki-Dimensional Materials

İki boyutlu malzemeler, büyük ölçüde uçaktaki elektronik devletlerde sınırlı olan, tamamen kısıtlanmış veya atomik olarak ince çarşaflara yetiştirilebilecek çeşitli bir tabakalı kristalleri kapsar.Onların tanım özelliği, elektronik eyaletlerde meydana gelen sonuçlar, bu sınırlı devletler, katılaşan enerjiler ve taşıma fenomenleri.

2D Malzemeli Aileler

  • [FONT:0)Graphene:[[Dönetici: 0 3) Bir balcomb lattice'de karbon atomlarının tek bir parçası. Son derece yüksek taşıyıcı hareketliliği, mekanik güç ve termal iletkenliği sergiliyor. sıfır-bandgap elektronik yapısı, ancak, dijital mantık uygulamaları ile kullanımını sınırlandırır.
  • [FONT=0)Transition Metal Dichalcogenides (TMDs): [DD: [D=Cx2 (M = Mo, W; X = S, Se, Te) Karşılaştırmalı grafiklere sahip, birçok TMD'nin, transistörler, fotodetektörler ve ışık kullanan cihazlar için cazip hale getirilmesi.
  • [FONT=0)Phosphorene:[Dönetici:[Dönetici: 1 ) Siyah fosforun monokatlı bir parçası.Bu, katmanların sayısına bağlı olarak, son derece anisotropic elektronik ve mekanik özelliklerle birlikte.
  • [FONT=0)Hexagonal Boron nitride (h-BN):[D) Geniş bir bantgap ile 2D malzemeye sahip bir inekler (~6 eV) genellikle diğer 2D malzemeler için bir dielektrik substratı veya encapsülasyon katmanı olarak kullanılır.
  • [FONT:0]MXenes:[[Dönemli Yeni Geçiş Metal lübüs ve nitritler sınıfları, metal iletkenliği ve hidrofilik yüzeylerini enerji depolama ve elektromanyetik müdahale kalkanı için uygun şekilde sunmak.

Her aile, dış perturbasyonlar veya yapısal mühendislik yoluyla daha fazla değiştirilebilecek eşsiz bir temel elektronik yapı sunar. DFT, bu tür değişikliklerin materyali ve#8217; özellikleri nasıl değiştirirken birincil hesaplama aracı olarak hizmet eder.

The Role of intense Fonksiyonel Theory

DFT, Hohenberg-Kohn teoremlerinde yer almaktadır, ki bu, birçok parçalı sistemdeki zeminin enerjisinin, elektron yoğunluğu için eşsiz bir işlevseldir. Kohn-Sham yaklaşımı, etkileşim problemini etkili bir potansiyelde hareket eden bir dizi haline getirir, büyük ölçüde hesaplama karmaşıklığına bağlıdır. herhangi bir DFT hesabının zemin doğruluğu, değişim için yakınlaşma seçeneğine bağlıdır.

Anahtar Approximations ve 2D Malzemeler üzerindeki Etkileri

  • [FONT:0)Local Temp Approximation (LDA): [DD: 1) XC enerjisinin elektron başına aynı olduğu, tek bir elektron gazında olduğu gibi, LDA genellikle bağlayıcı enerjiler ve hafifler için aşırı derecede düşük sabitler ve hafifler için, 2D malzemeler için, tabakalı van der Waals sistemlerinin zemin devlet yapısını yanlış tahmin edebilir.
  • [FONT:0)Genelleştirilmiş Gradient Approximation (GGA), e.g., PBE: [Döneticilerin yüksek lisansını, bağ ve enerji farklılıkları için doğruluklarını artırmak, standart GGA, 2D malzemeye eleştirel olan Van der Waals (vdW) etkileşimleri yakalamayı başaramaz.
  • DFT-D2, DFT-D3 (Grimme) ve vdW-DF, dağıtım güçlerini tanımlamak için yarı-düzel olmayan düzeltmeler içerir.
  • [FONT=0]Hybrid Fonksiyoneller (örneğin, HSE06): ), GGA ile tam Hartree-Fock değişimi, yarı iletkenler ve yardımcılar için daha doğru bandgaps elde etmek. For TMDs and phosenefor, HSE06 often provides bandgap values close to experimental values, at daha yüksek bir hesaplama maliyeti.
  • [FONT=0)G0W0 Düzeltmeler:[DFT:0) DFT'nin üst kısmında uygulanan birçok bağlantının yüksek çözünürlükte kullanımını sınırlamak için, G0W0, bantgaps için altın standardı olarak kabul edilir, ancak yüksek kodlu çalışmalarla sınırlandırılır.

Uygulamada, 2D materyali için tipik bir DFT akışı, bir vakum tabakası ile bir süpervizyon inşa etmeyi içerir (15-20 Å) zamansal görüntüler arasında, hedef mülk için uygun bir fonksiyonel seçmek ve hesaplamayı uçak-yoğunlama ve k-point örnekleme ile tamamlamak.

Tuning Electronic Properties için Stratejiler

DFT, araştırmacıların, pristine 2D lattice'ye geniş bir parametre alanı keşfetmelerini sağlar. Aşağıda, elektronik yapıyı ayarlamanın en yaygın stratejileri vardır, DFT’nin mekanizmaları ve sonuçları ile birlikte.

Doping ve Alloying

Örneğin, MoS2'de oksijen veya selenyum modları ile ilgili olarak, kanıtlanmış bir konfigürasyonun enerjisini, belirli bir yükleyicinin yoğunluğunu ve sürekli olarak tekrarlayan bir modülasyon seviyesini yeniden ortaya çıkarabilir.In phosphorene, azot ve silikon doping DFT ile birlikte DFT ile birlikte, p-tip veya n-tipi hesaplamaları, sabit bir yapılandırma alanına bağlı olarak ortaya çıkabilir.

Strain Engineering

Mekanik deformasyon, 2D materyallerin elektronik yapısını kontrol etmek için güçlü bir knobdur çünkü olağanüstü mekanik esnekliği - başarısız olmadan önce% 10-20'ye kadar güçlü bir şekilde susuzdur. DFT simülasyonları, bantgap'da sistematik değişiklikler ortaya çıkarır ve hatta yarı iletken bir geçişe yol açarlar.In monokat MoS2, K noktasında doğrudan bant genişliğini azaltır, sonunda kontrol altına almak için eleştirel bir şekilde çalışır.

Heteroyapılar ve Moiré Engineering

Eş zamanlı interkatlü bağlantı olmadan farklı 2D materyallerin yanı sıra van der Waals heteroyapıları oluşturur, bu nedenle, ortaya çıkan özelliklerin genellikle yerel elektronik potansiyeli modüle ettiği, bir minigap açma noktası (XD) ile çarpıklık noktası, DFT modelleri ile birlikte sıkı bir şekilde formüle edilir.

Kimyasal Fonksiyonelizasyon

Bir 2D materyalinin yüzeyine kimyasal gruplar, elektronik karakterini dramatik bir şekilde değiştirebilir. Grafikten Hidrojenizasyon grafikte bir grafen, aynı balkomb lattice ile bir araya gelen ancak sp3 bağlantı. Benzer şekilde, fluorinasyon, kenar siteleri veya diğer kovalent fonksiyonelleştirme, iş akışlarında bir bandgap açabilir veya işlevi değiştirebilir.DFT ile fonksiyonel yüzeysel olmayan yüzeylerin hesaplanması, uyarıları ve hesaplamaları içerir.

Elektrikli Alan ve Dielektrik Ekran

Bir dış elektrik alanı, bir 2D malzemenin uçağına perpendicular uygulamak, bant genişliğini değiştirebilecek ve vadinin ısıtılması için daha zayıf bir etki oluşturur.Örneğin, bir tunable bandgap bir yerinden alan altında, DFT tarafından tahmin edilen ve deneysel olarak doğrulanan bir sıvı kapıdır; Bu da alan etkisi daha kısa bir tabaka kalınlığı nedeniyle daha zayıftır, ancak bu da vadinin ısıtılması anlamına gelir.

Defect Engineering

Nokta kusurları - vacancies, antisiteler, veya tahıl sınırları - büyük ölçekli sentezde kaçınılmazdır ve elektronik taşımaya hükmedebilir. DFT, çeşitli kusurların formasyon seviyelerini tahmin edebilir. Örneğin, MoS2'de bir sulfur geçirgenliği, elektronlar ve limitler için bir tuzak olarak hareket eden derin bir bağışçı durumu ortaya çıkarabilir.

Vaka Çalışmaları: DFT-Guided Tuning of 2D Materials

MoS2'de Stragap Mühendisliği

PBE'nin van der Waals düzeltmeleriyle fonksiyonel olarak çok sayıda DFT çalışması, diyalektif MoS2'nin grubu, akıtlı bir gerilim işlevi olarak haritaladı. Sıfır suda, K'daki doğrudan bantgap yaklaşık 1.8 eV (PBE) veya 2.5 eV (HSE06). Bu tahminler, benzer bir geçiş kullanarak, Gamma'dan K'dan dolaylı boşluk daha küçük hale geldi.

Elektronik İletişim için Phosphorene'nin Dopingi

Phosphorene'nin anisotropic taşıyıcı hareketliliği ve tunable bandgap, saha-sonuçlu transistörler için cazip hale getirdi. Ancak, havadaki yerli kusurların ve bozulmaların varlığı zorluklarla devam etti. DFT hesaplamaları Guo et al. (2014) incelendi - sadece grup IV ve V elementleriyle onda bir kaç tane kiraladı - doğrudan doğrulayıcı veya yukarıda belirtilen gruplar için ifade edilen gruplar için bu iletişim stratejileri.

Twisted Bikat Graphene

Büyük moiré ünitesindeki standart DFT (DFTB) ve süreklilik içeren karma modeller, sihirli açıya yakın düz bantları başarıyla yeniden üretmiştir (~1.1°). Bu simülasyonlar, büyük moiré ünitesi hücrelerinin bant genişliğinin, yüzeysel baskı veya ayarlama ile ayarlandığında ortaya çıktığını ortaya çıkarır.

2D Malzemeler için DFT'nin Zorlukları ve Sınırları

Başarılarına rağmen, DFT bir panacea değildir. Tanık birçok tanınmış sınırlama 2D sistemleri için tahminlerin güvenilirliğini etkiler:

  • [FONT:0]Bandgap Enestimasyon: LDA ve GGA, kendi hareket hatası nedeniyle grupgaps'i ciddi şekilde hafife alıyor.
  • [FONT:0]Van der Waals Interactions:[D) Birçok 2D malzeme, zayıf vdW güçleri tarafından birlikte gerçekleştirilir. Standart yarı komponent işlevleri bu etkileşimleri tarif edemez, vdW düzeltmeleri ile bile, sonuçlar seçilmiş düzeltme programına bağlı olabilir (örneğin, DFT-D3 vs. vdW-DF).
  • DFT:0)Excited-State Properties:[DDDD)[DDD) DFT, gelişmiş Coulomb etkileşimi büyük ölçüde sertleştirici enerjilere yol açıyor (TMDDFT için 1 eV gerekir) veya birçok perturbasyon teorisi (Bethe-Salpeter denklemi).
  • [FONT:0)Large Unit Hücreleri Defects ve Twisted Systems için: Gerçek hata konsantrasyonlarını veya moiré modellerini modellemek, yüzlerce veya binlerce atomla süper hücreli, DFTB gibi alternatif yöntemleri zorlamak, makineli potansiyelleri veya aşağılama yaklaşımları bu tür sistemleri tedavi etmek için gereklidir.
  • [FONT:0)Environmental Bağımlılık: 2D malzemenin elektronik özellikleri çevreye karşı oldukça hassastır - substratlar, h-BN veya yüzey kirliliği. DFT hesaplamaları genellikle basit, özgür bir plaka varsayar, bu da sofistike olmayan deneysel gerçekleri yansıtamaz.

Future: DFT ile Makine Öğrenmesi ve Yüksek-Throughput Ekranlama

2D malzemenin geniş kimyasal ve yapısal alanı - milyonlarca potansiyel monokat - DFT taraması, DFT'den elde edilen 2D malzeme özelliklerini otomatik akışlar hesaplamak, stabilite, bandgap ve malzeme tasarımı gibi binlerce adayın elde ettiği gibi, araştırmacıların DFT veritabanlarını içeren hızlı bir şekilde tespit etmesi mümkün.

DFT verileri üzerinde eğitilmiş makine öğrenimi (ML) modelleri daha da keşifleri hızlandırdı. Neural ağlar ve Gaussian süreci regresyon, kompozisyon ve susaj işlevlerini tahmin edebilir veya milisaniye yakınlıkta doğruyu tespit edebilir.Finansal uzayın en bilgilendirici bölgelerine doğru doğru DFT hesaplamaları yaparak, TMD'nin toplam sayısını ölçme ve azaltımı için gelişmiştir.

Başka bir sınır, DFT'nin deneysel geri bildirim döngüleriyle entegrasyonudur. DFT tahminlerini sentez ve karakterizasyonla birleştirerek araştırmacılar döngüyü kapatabilirler: DFT istenen bir bant için en iyileştirici bir konsantrasyon öneriyor, deneyler materyali büyür ve sonuçlanan yapı karakterize edilir (XRD, PL, ARPES)

Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç

Yoğun Fonksiyonel Teori, iki boyutlu malzemelerin elektronik özelliklerini anlamak ve mühendisliği için vazgeçilmez bir kanıtlamıştır.Çalışma, susma, hetero yapılandırma, fonksiyonelleştirme ve kusurların alternatif grup yapısı ve taşıyıcı dinamikleri, teori ve deney arasındaki boşlukları sürekli olarak kapatıyor.

DFT ve gelişmekte olan makine öğrenimi teknikleri arasındaki sinerji, 2D materyallerini uygun elektronik işlevleri ile hızlandırmaya söz veriyor - esnek transistörlerden kuantum sensörlere kadar. Araştırmacılar için alana giren, yüksek kodlu bir çerçeve içinde DFT simülasyonları standart karakterizasyon teknikleri olarak önemli hale geliyor.

Daha fazla okuma için, Heine tarafından yapılan kapsamlı incelemeye bakınız (2015), hesaplama 2D malzemeler hakkında [[D:0][D)[D)][external bağlantı [DD materyaller Project database of 2D materialANSFLT:2][external link[D)[D)[D)[D)[D)[D)[D)[D)[D)[D)|D)|D)|D)|D D D D D FONT FONT FONT=[D FONT=D FONT=tr|D FONT=tr|D FONT=