محاسبات اصول اوليه ساختار الكتروني نانو ساختارهاي دو بعدي جديد: مطالعه ي DFT، تابعي GGA-PBE و تابعي هيبريدي HSE06

First-principles calculations of Electronic Structure of Novel 2D Nanostructures: a DFT, GGA-PBE functional and hybrid functional HSE06 study

در اين مطالعه، با محاسبه­ ي ويژگي ساختاري، الكتروني، نوري و فتوكاتاليستي تك­لايه­ هاي مكسين، يك خانواده از مواد دو بعدي با كاربردهاي گسترده­ ي آن­ها به دليل ويژگي برجسته­ شان، از جمله Hf2CO2 و Zr2CO2 ، اين تك­لايه ­ها را با استفاده از تابعي­ هاي GGA-PBE و HSE06 مورد مقايسه قرار مي­دهيم. اين محاسبات با استفاده از نظريه­ ي تابعي چگالي (DFT) انجام شده است. سلول واحد اين ساختارها و موقعيت اتمي آن­ها كامل بهينه شده است. نتايج نشان مي­دهد كه ثابت­هاي شبكه براي نانوساختارهاي دو بعدي Hf2CO2 و Zr2CO2 به ترتيب 3/3592 و 3/3771 آنگستروم است. گاف نواري اين نانوساختارها از نوع غيرمستقيم است. بر اساس اطلاعات بدست آمده مقدار گاف نواري آن­ها با تابعي GGA-PBE به ترتيب 0/92 و0/89 الكترون­ولت است. همچنين با تابعي هيبريدي HSE06، گاف نواري بدست آمده به ترتيب 1/75 و 1/72 الكترون­ولت است. مشاهده مي­شود كه با تابعي هيبريدي HSE06، ميزان گاف نواري بهبود مي يابد. بخش­هاي حقيقي و موهومي تابع دي­الكتريك به منظور بررسي ويژگي نوري اين ساختارها محاسبه شده است. محاسبات نشان مي­دهند كه مواد مورد مطالعه در مناطق مرئي و فرابنفش از جذب بالايي برخوردار هستند. نتايج بدست آمده نشان مي­دهد كه اين نانو ساختارهاي دو بعدي مي­توانند به عنوان فتوكاتاليست مناسب در فرايند شكافت آب مورد استفاده قرار گيرند.

In this paper, the structural, electronic, optical, and photocatalytic properties of MXene monolayers are studied. MXenes are a new class of two-dimensional (2D) transition metal carbides and nitrides with the chemical formula Mn+1Xn (M = Sc, Ti, V, Cr, Zr, Nb, Mo, Hf, Ta; X = C, N; n = 1–3) that etching MAX phases have recently synthesized. We study Hf2CO2 and Zr2CO2 nanostructures, comparing them with the GGA-PBE and HSE06 functionals. These calculations were performed using density functional theory (DFT). The unit cell of these structures and their atomic positions are fully optimized. The results show that the lattice constants for two-dimensional nanostructures Hf2CO2 and Zr2CO2 are 3.3592 and 3.3771 angstroms, respectively. The band gap of these nanostructures is of the indirect type. Based on the information obtained, their band gap values with GGA-PBE functional are 0.92 and 0.89 eV, respectively. The results of calculations with HSE06 hybrid functional show that both Hf2CO2 and Zr2CO2 nanostructures are semiconductors with band gaps of 1.75 and 1.72 eV. It can be seen that with an HSE06 hybrid functional, the amount of band gap improves. The real and imaginary parts of the dielectric function have been calculated to investigate the optical properties of these structures. In addition, the studied materials have high absorption in visible and ultraviolet regions. The obtained results show that these nanostructures may apply in designing optoelectronic devices.