First-principle calculations of the electronic and atomic structures of 2D materials based on aluminum and aluminum nitride
DOI (Low Temperature Physics):
https://doi.org/10.1063/10.0044469Ключові слова:
aluminum nitride, electronic structure, atomic structure, density functional theory, Perdew–Burke–Ernzerhof potentialАнотація
Для дослідження структурних, електронних та зв’язуючих властивостей двовимірних систем Al/AlN з кубічною та гексагональною симетрією проведено розрахунки за допомогою теорії функціоналу густини (DFT) з перших принципів. Результати показують, що кубічні системи Al(001)/AlN(001) стабільні при нульовій температурі для 1–3 шарів Al, тоді як гексагональні системи Al(111)/AlN(001) нестабільні для більш ніж одного шару Al. Ці результати мають важливе значення для розуміння стабільності та потенційного застосування двовимірних матеріалів на основі Al/AlN у сучасних нано¬технологіях. У кубічних структурах довжина зв’язків Al–Al може зменшуватися до 17%, а зв’язки Al–N скорочуються до 7%, тоді як зв’язки N–N збільшуються до 5% при переході від об’ємних до двовимірних структур. Гексагональні структури також демонструють зменшені довжини зв’язків під час таких переходів. Обидва типи систем є металевими, причому гексагональні системи демонструють сильнішу металічність. Значне перенесення заряду від Al до N відображає іонну природу зв’язку Al–N в обох системах.
Посилання
N. Norrby, L. Rogstroem, M. Johansson–Joesaar, N. Schell, and M. Oden, “In situ X–ray scattering study of the cubic to hexagonal transformation of AlN in Ti1–xAlxN,” Acta Mater. 73, 205 (2014). https://doi.org/10.1016/j.actamat.2014.04.014
P. E. Van Camp, V. E. Van Doren, and J. T. Devreese, “High–pressure properties of wurtzite- and rocksalt-type aluminum nitride,” Phys. Rev. B 44, 9056 (1991). https://doi.org/10.1103/PhysRevB.44.9056
A. Siegel, K. Parlinski, and U. D. Wdowik, “Ab initio calculation of structural phase transitions in AlN crystal,” Phys. Rev. B 74, 104116 (2006). https://doi.org/10.1103/PhysRevB.74.104116
M. Magnuson, M. Mattesini, C. Höglund, J. Birch, and L. Hultman, “Electronic structure and chemical–bonding anisotropy investigation of wurtzite AlN,” Phys. Rev. B 80, 155105 (2009). https://doi.org/10.1103/PhysRevB.80.155105
J. Ruiz–González, “Modeling the electronic structure and stability of three aluminum nitride phases,” Rev. Mex. Fís. 67, 343 (2021).https://doi.org/10.31349/RevMexFis.67.343
S. K. Yadav, J. Wang, and X.-Y. Liu, “Ab initio modeling of zincblende AlN layer in Al–AlN–TiN multilayers,” J. Appl. Phys. 119, 224304 (2016). https://doi.org/10.1063/1.4953593
D. Holec and P. H. Mayrhofer, “Surface energies of AlN allotropes from first principles,” Scr. Mater. 67, 760 (2012). https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2012.07.027
X. Nie, Z. Qian, W. Du, Z. Lu, H. Li, R. Ahuja, and X. Liu, “Structural evolution of AlN nanoclusters and elemental chemisorption characteristics: Atomistic insight,” Nanomaterials 9, 1420 (2019). https://doi.org/10.3390/nano9101420
X. Gonze, B. Amadon, G. Antonius, F. Arnardi, L. Baguet, J.-M. Beuken et al, “The ABINIT project: Impact, environment and recent developments,” Comput. Phys. Commun. 248, 107042 (2020). https://doi.org/10.1016/j.cpc.2019.107042
D. R. Hamann, “Optimized norm–conserving vanderbilt pseudopotentials,” Phys. Rev. B 88, 085117 (2013). https://doi.org/10.1103/PhysRevB.88.085117
A. H. Romero, D. C. Allan, B. Amadon, G. Antonius, T. Applencourt, L. Baguet et al, “ABINIT: Overview and focus on selected capabilities,” J. Chem. Phys. 152, 124102 (2020). https://doi.org/10.1063/1.5144261
X. Gonze, F. Jollet, F. Abreu Araujo, D. Adams, B. Amadon, T. Applencourt et al, “Recent developments in the ABINIT software package,” Comput. Phys. Commun. 205, 106 (2016). https://doi.org/10.1016/j.cpc.2016.04.003
X. Gonze, B. Amadon, P.-M. Anglade, J.-M. Beuken, F. Bottin, P. Boulanger et al, “ABINIT: First-principles approach to material and nanosystem properties.” Comput. Phys. Commun. 180, 2582 (2009). https://doi.org/10.1016/j.cpc.2009.07.007
J. P. Perdew, K. Burke, and M. Ernzerhof, “Generalized gradient approximation made simple,” Phys. Rev. Lett. 77, 3865 (1996). https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.77.3865
H.-J. Monkhorst and J. D. Pack, “Special points for brillouin–zone integrations,” Phys. Rev. B 13, 5188 (1976). https://doi.org/10.1103/PhysRevB.13.5188
J. Nocedal, “Updating quasi–newton matrices with limited storage,” Math. Comput. 35, 773 (1980). https://doi.org/10.1090/S0025-5718-1980-0572855-7
E. Bitzek, P. Koskinen, F. Gähler, M. Moseler, and P. Gumbsch, “Structural relaxation made simple,” Phys. Rev. Lett. 97, 170201 (2006). https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.97.170201
