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第三部分則是將剛剛的五種材料 G2BN10、G4BN8、G6BN6、G8BN4、
G10BN2 在 Graphane 和 Boron Nitride 相接的碳原子處把氫原子以 line 或是 chain 的形狀拔掉,並計算各種初始磁性從中找到最穩定的磁性結構,進而探討拔掉氫 原子之後能帶又會有甚麼改變。
第四部份為七種材料用變化的方式去拔除氫原子,像是拔去 Graphane 中間 的 chain 形狀氫原子或者拔去 Graphane 中碳原子和 Boron Nitride 次鄰近(nearer) 的 line 形狀或 chain 形狀氫原子,還有拔除 Graphane 中兩條 chain 形狀氫原子,
最後還有沿 Z 方向跳著拔去 Graphane 中的氫原子。
3.1 第一部分 氫原子接 BN 不同位子或切去不同位子氫原子的結合能
結合能 = (分開總能 - 合體總能) = { > 0 可合成 < 0 不可合成
原子顏色:咖啡色為 Carbon、綠色為 Boron、灰色為 Nitrogen、淡粉色為氫原子。
3.1.1 氫原子接在 BN 的 Boron 或 Nitrogen 之結合能
開始研究之後,想說在 BN 的尾端接上一顆氫原子是否會使結構更穩定,那 就分別把氫原子接在硼原子(Boron)或是氮原子(Nitrogen)上去計算其結合能並挑 選能量低的接法使用,因為接在不同原子上會影響到是由 Boron 還是 Nitrogen 和碳原子(Carbon atom)去結合。
3.1.1.1 氫原子接在 BN 的 Boron 上的結合能 材料結構:
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圖 1:氫原子接在 BN 的 Boron 上之結構圖(H-BN)
表 1:氫原子接在 BN 的 Boron 之結合能
分開總能 合體總能 分開總能 - 合體總能
-109.36351 eV -114.60575 eV 5.24224 eV
∴可以合成,代表 BN 在 Boron 上接氫原子更為穩定 3.1.1.2 氫原子接在 BN 的 Nitrogen 上的結合能 材料結構:
圖 2:氫原子接在 BN 的 Nitrogen 上之結構圖(BN-H)
表 2:氫原子接在 BN 的 Nitrogen 之結合能
分開總能 合體總能 分開總能 - 合體總能
-109.36366 eV -115.32507 eV 5.96141 eV
∴可以合成,代表 BN 在 Nitrogen 上接氫原子更為穩定
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那麼我們之後在 BN 的尾端不論是 Boron 或是 Nitrogen 都會接上一顆氫原 子使 BN 結構更為穩定。
3.1.2 氫原子接在 BN 的 Boron 或 Nitrogen 上下端之結合能
我們想說氫原子是否能像是 Graphane 一樣的方式接在 BN 的上下端。
3.1.2.1 氫原子接在 BN 的 Boron 上端之結合能 材料結構:
圖 3:氫原子接在 BN 的 Boron 上端之結構圖
表 3:氫原子接在 BN 的 Boron 上的結合能
分開總能 合體總能 分開總能 - 合體總能
-307.76103 eV -308.73136 eV 0.97033 eV
從表中得知氫原子接在 Boron 上是可能的,但其結合能較小,所以我們的討 論中就不在 BN 的上下方接氫原子。
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3.1.2.2 氫原子接在 BN 的 Nitrogen 上端之結合能 材料結構:
圖 4:氫原子接在 BN 的 Nitrogen 上端之結構圖
表 4:氫原子接在 BN 的 Nitrogen 上的結合能
分開總能 合體總能 分開總能 - 合體總能
-307.75983 eV -308.23523 eV 0.47539 eV
從表中得知氫原子接在 Ntride 上是可能的,但其結合能也稍低,所以我們的 討論中就不在 BN 的上下方接氫原子。
3.1.3 石墨烯(Graphene)和 BN 的 Boron 或 Nitrogen 相接與最低能量的磁性結構 想了解 Graphene 和 BN 相接原子是 Boron 還是 Nitrogen 時比較穩定,並計 算出最低能量的磁性結構是何種狀況。
3.1.3.1 Graphene 和 BN 的 Boron 相接(C-B interface)
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圖 5:Graphene 和 BN 的 Boron 相接之結構圖
初始磁性設定表格中順序為原子編號 2.3,所以下方表格中的 1.1 就是原子 編號 2 帶+1、編號 3 帶+1,則 1.-1 就是原子編號 2 帶+1、編號 3 帶-1。
表 5:Graphene 和 BN 的 Boron 相接之初始磁性設定 (紅色為最低能量)
初始磁性 1.1 1.-1
總能 -235.73771 eV -235.73819 eV
表 6:Graphene 和 BN 的 Boron 相接之結合能
分開總能 合體總能 分開總能 - 合體總能
-229.50778 eV -235.73819eV 6.23041 eV
3.1.3.2 Graphene 和 BN 的 Nitrogen 相接(C-N interface)
圖 6:Graphene 和 BN 的 Nitrogen 相接之結構圖
初始磁性設定表格中順序為原子編號 2.3,所以下方表格中的 1.1 就是原子 編號 2 帶+1、編號 3 帶+1,則 1.-1 就是原子編號 2 帶+1、編號 3 帶-1。
表 7:Graphene 和 BN 的 Nitrogen 相接之初始磁性設定 (紅色為最低能量)
初始磁性 1.1 1.-1
總能 -235.19519 eV -235.19496 eV
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表 8:Graphene 和 BN 的 Nitrogen 相接之結合能
分開總能 合體總能 分開總能 - 合體總能
-228.80067 eV -235.19519 eV 6.39452 eV
我們可發現 C-N interface 的 Graphene 和 BN 結合能較 C-B interface 穩定,
在 C-N interface 的初始磁性設定方面則是以邊界碳原子和硼原子帶相同磁性時 能量較低,所以我們的研究皆以 C-N interface 的形式來做研究。
3.1.4 跳著拔去 Graphane 不同位子的氫原子之結合能
這一小節要計算出分別在 Graphane 跳著拔去(拔去)不同位子的氫原子,就用 G8BN4 來當作模型,以 Graphane 和 BN 相接處為最近的碳原子,拔去氫原子的 位子有相鄰 BN 的碳原子(Nearest)、次鄰近的碳原子(Nearer)和 Graphane 中間的 碳原子(Middle)。
3.1.4.1 拔去 Nearest 氫原子之結合能 材料結構:
圖 7:G8BN4 拔去 Nearest 氫原子之結構圖
圖中顯示和 BN 相接的碳原子有一顆的氫原子被拔去了,就是被黃色標記的 那顆碳原子。
表 9:拔去 Nearest 氫原子之結合能
分開總能 合體總能 分開總能 - 合體總能
-590.847801214 eV -596.27303 ev 5.425228786 eV
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所以可從表中得知此切法是可以成立的,拔去 Nearest 的材料可能存在。
3.1.4.2 拔去 Nearer 氫原子之結合能 材料結構:
圖 8:G8BN4 拔去 Nearer 氫原子之結構圖
圖中顯示和 BN 次鄰近排的碳原子有一顆的氫原子被拔去了,就是被黃色標 記的那顆碳原子。
表 10:拔去 Nearer 氫原子之結合能
分開總能 合體總能 分開總能 - 合體總能
-590.463047797 eV -596.27303 eV 5.809982203 eV 所以可從表中得知此切法也可成立,因為結合能比拔去 Nearest 來的大,所 以拔去 Nearer 較輕鬆拔掉氫原子。
3.1.4.3 拔去 Middle 氫原子之結合能 材料結構:
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圖 9:G8BN4 拔去 Middle 氫原子之結構圖
圖中顯示在 Graphane 中間有一顆碳原子的氫原子被拔去了,就是被黃 色標記的那顆碳原子。
表 11:拔去 Middle 氫原子之結合能
分開總能 合體總能 分開總能 - 合體總能
-590.566573681 eV -596.27303 eV 5.706456319 eV 所以從表中得知此拔法也成立,且和拔去 Nearer 的結合能較為接近。綜觀 以上三種不同位子拔法,可發現拔去 Nearest 的結合能最低,拔去 Nearer or Middle 或是拔去其他不是最相鄰(Nearest)的碳原子的結合能相差不多。
3.1.5 拔去線狀(line)或鍊狀(chain)的氫原子結合能
在第一部分的最後一小節要計算的是以 G6BN6 為模型,氫原子拔去 line 或 是 chain 時的平均單顆結合能,並和跳著拔的結合能(3.1.4)比較看看。
3.1.5.1 拔去 line 之結合能 材料結構:
圖 10:G6BN6 拔去 line 之結構圖
在 Graphane 和 BN 相接處的碳原子以 line 的形狀拔去氫原子。
表 12:拔去 line 之結合能
分開總能 合體總能 分開總能 - 合體總能
-553.890369 eV -562.82814 eV 8.93777 eV
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3.1.5.2 拔去 chain 之結合能 材料結構:
圖 11:G6BN6 拔去 chain 之結構圖
在 Graphane 和 BN 相接處的碳原子以 chain 的形狀拔去氫原子。
表 13:拔去 chain 之結合能
分開總能 合體總能 分開總能 - 合體總能
-558.657786 eV -562.82814 eV 4.170354 eV 從數據理論上來看不管是切去 Line 或是 Chain 都是可行的。
3.2 第二部分 不同比例的 Graphane 和 BN 但固定 Zigzag nanoribbons 長度