Nano Lett.: 第一性原理精確計算剝離能量

【引言】

?剝離能量是從塊體材料表面剝離原子層所需的能量，其對于二維材料的研究和應用具有重要意義。基于第一個二維材料石墨烯的剝離，人們試圖將越來越多的由一個或幾個原子層組成的二維材料通過機械剝離分離開來。其中，機械剝離的一個非常重要的可行性標準是其能量損耗。計算這種能量損耗不僅可以解釋某些材料容易脫落的原因，而且在實驗上，同時，其作為預測可以從塊體化合物中分離出來的二維材料的指導具有非常重要的意義。

【成果簡介】

?韓國首爾國立大學Cheol-Hwan Park和浦項工科大學Jisoon Ihm等人證明了可以精確地獲得剝離能量，類似于塊體材料（每個原子層）和獨立單層之間的基態能量差異。他們所提出的方法比傳統方法大大降低了計算成本，因為它不需要在厚板上進行計算；其次，即使存在任何類型的表面重組該方法仍然有效；另外，該方法能夠考慮到單個剝離層的弛豫（面內晶格參數和原子位置），以及其容易與各種多體計算方法相結合。作為原理的證明，他們使用密度泛函理論計算了石墨烯、六方氮化硼、MoS₂和磷烯的剝離能。該研究發表于Nano Letters，題為“A Rigorous Method of Calculating Exfoliation Energies from First Principles”。

?【圖文導讀】

圖1. 傳統平板法計算剝離能量

從兩種構型的基態能量的差異中得到，分別為：（a）由許多原子層組成的真空平板和（b）被分離平板的最頂層（見箭頭）以及單層和剩余弛豫板塊兩者的原子位置。

圖2. 提出的計算剝離能量方法的示意圖

（a-d）剝離過程的步驟。水平虛線表示（假設）塊體表面邊界。

（e）剝離能量是構型I和IV之間的能量差，即減少到塊體每層的基態能量和真空中完全松弛原子層之間的差異。

圖3. 兩種不同表面的石墨烯-hBN超晶格和其形成的雙層剝離過程

（a）從（真空）-石墨烯-hBN-石墨烯-hBN- ...的頂部兩層表面剝離。 （b）（a）中所示的雙層剝離在圖2所示構型I和IV之間的凈差異。 （c,d）為（真空）-hBN-石墨烯-hBN-石墨烯-表面與（a）和（b）中的相似數量。

圖4. 平板法和文中提出方法的比較

（a）通過N層板法獲得的單層剝離能量和通過所提出的方法獲得的單層剝離能量。（b）用N層板法計算單層剝落能量所需的時間與文中提出的方法所需的時間之比。

?圖5. 使用GAP進行局部能量分析

石墨烯、hBN、MoS2和磷烯的每個區域的n層剝落能E_exf(n).

圖6. 研究的材料的面內晶格參數

（a）研究的材料的面內晶格參數。（b）n層平板和塊狀晶體的面內晶格參數（s）的差異。（c）平面內晶格常數的松弛導致的剝離層穩定能（E_IV-E_III）。

【小結】

該研究開發了一種非常有效的方法，其根據第一性原理來計算剝離能量。該方法還能夠嚴格考慮材料的表面弛豫和重整，簡易處理剝離層的面內晶格常數的變化，并且可與最先進的多體技術組合。他們應用該方法計算了四種具有代表性的二維材料的n層剝離能量。雖然他們的論證集中在具有范德華相互作用的分層材料上，但是該方法通常可以應用于其他類型的分層材料，例如具有氫鍵的分層材料。研究人員認為，由于該方法的獨特優點，它將取代傳統的方法并被廣泛用于計算二維材料的機械剝離能量。

文獻鏈接：A Rigorous Method of Calculating Exfoliation Energies from First Principles (Nano Letters 2018, DOI: 10.1021/acs.nanolett.7b04201)

本文由材料人計算材料組Annay供稿，材料牛整理編輯。

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