Nano Lett.: 第一性原理精确计算剥离能量

【引言】

 剥离能量是从块体材料表面剥离原子层所需的能量，其对于二维材料的研究和应用具有重要意义。基于第一个二维材料石墨烯的剥离，人们试图将越来越多的由一个或几个原子层组成的二维材料通过机械剥离分离开来。其中，机械剥离的一个非常重要的可行性标准是其能量损耗。计算这种能量损耗不仅可以解释某些材料容易脱落的原因，而且在实验上，同时，其作为预测可以从块体化合物中分离出来的二维材料的指导具有非常重要的意义。

【成果简介】

 韩国首尔国立大学Cheol-Hwan Park和浦项工科大学Jisoon Ihm等人证明了可以精确地获得剥离能量，类似于块体材料（每个原子层）和独立单层之间的基态能量差异。他们所提出的方法比传统方法大大降低了计算成本，因为它不需要在厚板上进行计算；其次，即使存在任何类型的表面重组该方法仍然有效；另外，该方法能够考虑到单个剥离层的弛豫（面内晶格参数和原子位置），以及其容易与各种多体计算方法相结合。作为原理的证明，他们使用密度泛函理论计算了石墨烯、六方氮化硼、MoS₂和磷烯的剥离能。该研究发表于Nano Letters，题为“A Rigorous Method of Calculating Exfoliation Energies from First Principles”。

 【图文导读】

图1. 传统平板法计算剥离能量

从两种构型的基态能量的差异中得到，分别为：（a）由许多原子层组成的真空平板和（b）被分离平板的最顶层（见箭头）以及单层和剩余弛豫板块两者的原子位置。

图2. 提出的计算剥离能量方法的示意图

（a-d）剥离过程的步骤。水平虚线表示（假设）块体表面边界。

（e）剥离能量是构型I和IV之间的能量差，即减少到块体每层的基态能量和真空中完全松弛原子层之间的差异。

图3. 两种不同表面的石墨烯-hBN超晶格和其形成的双层剥离过程

（a）从（真空）-石墨烯-hBN-石墨烯-hBN- ...的顶部两层表面剥离。 （b）（a）中所示的双层剥离在图2所示构型I和IV之间的净差异。 （c,d）为（真空）-hBN-石墨烯-hBN-石墨烯-表面与（a）和（b）中的相似数量。

图4. 平板法和文中提出方法的比较

（a）通过N层板法获得的单层剥离能量和通过所提出的方法获得的单层剥离能量。（b）用N层板法计算单层剥落能量所需的时间与文中提出的方法所需的时间之比。

 图5. 使用GAP进行局部能量分析

石墨烯、hBN、MoS2和磷烯的每个区域的n层剥落能E_exf(n).

图6. 研究的材料的面内晶格参数

（a）研究的材料的面内晶格参数。（b）n层平板和块状晶体的面内晶格参数（s）的差异。（c）平面内晶格常数的松弛导致的剥离层稳定能（E_IV-E_III）。

【小结】

该研究开发了一种非常有效的方法，其根据第一性原理来计算剥离能量。该方法还能够严格考虑材料的表面弛豫和重整，简易处理剥离层的面内晶格常数的变化，并且可与最先进的多体技术组合。他们应用该方法计算了四种具有代表性的二维材料的n层剥离能量。虽然他们的论证集中在具有范德华相互作用的分层材料上，但是该方法通常可以应用于其他类型的分层材料，例如具有氢键的分层材料。研究人员认为，由于该方法的独特优点，它将取代传统的方法并被广泛用于计算二维材料的机械剥离能量。

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

本文由材料人计算材料组Annay供稿，材料牛整理编辑。

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