二维硼化钼原子结构的第一性原理研究

近年来，二维（2D）材料由于其在热电和超导等方面的优异物理特性而引起了广泛的研究。这种兴趣导致了对已知二维材料的新一轮研究，例如过渡金属氮化物（MXene），以及许多新的二维材料的发现。最近，二维金属硼化物Mo_4/3B_2−x成功合成了有序金属空位。然而，在样本中通过实验观察到可变的原子结构，这表明这种二维材料中存在不止一种结构。因此，在这项工作中，采用基于密度泛函理论的第一性原理计算来检验不同Mo含量的硼化钼的稳定性。计算分析了不同硼化钼模型的结合能，考察了钼含量对其稳定性的影响。还通过电子定位函数分析了化学键合性质，这进一步解释了为什么实验合成的硼化钼具有不同的原子结构。

从3D i-MAB相通过选择性腐蚀实验合成的二维金属硼化物Mo_4/3B_2-x进一步扩展了二维材料家族。理想情况下，获得的2D Mo_4/3B₂将具有有序的金属空位，然而，对STEM图像的实验观察表明，系统中存在可变的原子结构。在本工作中，基于3D i-MAB相的原子排列构造了12个2D钼硼化物模型，并通过第一性原理计算研究了其稳定性。结果表明，12种二维钼硼化物模型的结合能表明，钼含量越高，结合能越大，这意味着二维钼硼化物的稳定性越高。此外，结合能计算表明，2D Mo_4/3B₂结构不是这些模型中最稳定的结构。这些模型中最稳定的四个模型的原子结构可以直接与实验STEM图像匹配。ELF结果表明，2D硼化钼中B-B键的强度明显高于Mo-B键的强度。MXene型Mo₂B₂比Mo_4/3B₂具有更强的结合强度。此外，ELF计算表明，2D硼化物中的B-B键是共价键，而其Mo-B键是离子键。Mo含量的增加可以显著增强B-B键。这些结果表明，在具有有序空位的二维钼硼化物的实验研究和实际应用中，需要注意空位处钼原子的再吸附。因此，本文揭示了实验合成的2D Mo_4/3B_2-x中存在多个原子结构的原因−这对二维金属硼化物的合成和应用具有指导意义。