Bonding Duality and Optoelectronic Properties of Bilayer Carbon Structures Based on the T12 Phase and Penta-Graphene

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

Bilayer compounds of two-dimensional T12 phase carbon allotrope and penta-graphene have been studied using the electron density functional theory. The stability of the considered two-dimensional structures with different types of stacking order at different temperatures has been estimated from the calculated phonon spectra and molecular dynamics simulation. The stability of the two-dimensional planar structure up to 1350 K has been demonstrated. It has been shown that bilayer penta-graphene compounds with the AA' and AB' stacking orders have energy minima both in the state with the van der Waals interaction and in the form of covalently bonded layers in the AA-T12 and T12 phases. The barrier for the transition between covalently and van der Waals bonded AA' and AB' stacking orders has been analyzed. The calculated electronic and optical characteristics show that the band gap in the case of covalent bonding is much narrower than that in the case of van der Waals bonding.

About the authors

A. N Toksumakov

Emanuel Institute of Biochemical Physics, Russian Academy of Sciences

Email: adilet.toksumakov@phystech.edu
119334, Moscow, Russia

V. S Baydyshev

Emanuel Institute of Biochemical Physics, Russian Academy of Sciences

Email: adilet.toksumakov@phystech.edu
119334, Moscow, Russia

D. G Kvashnin

Emanuel Institute of Biochemical Physics, Russian Academy of Sciences

Email: adilet.toksumakov@phystech.edu
119334, Moscow, Russia

Z. I Popov

Emanuel Institute of Biochemical Physics, Russian Academy of Sciences

Author for correspondence.
Email: adilet.toksumakov@phystech.edu
119334, Moscow, Russia

References

  1. E.H. Falcao and F.Wudl, J. Chem. Technol. Biotechnol. 82, 524 (2007).
  2. R. Hoffmann, A.A. Kabanov, A.A. Golov, and D.M. Proserpio, Angewandte Chemie International Edition 55, 10962 (2016).
  3. B.Y. Valeev, A.N. Toksumakov, D.G. Kvashnin, and L.A. Chernozatonskii, JETP Lett. 115, 10 (2022).
  4. S. Zhang, J. Zhou, Q. Wang, X. Chen, Y. Kawazoe, and P. Jena, PNAS 112, 2372 (2015).
  5. L.A. Chernozatonskii, P.B. Sorokin, A.G. Kvashnin, and D.G. Kvashnin, JETP Lett. 90, 134 (2009).
  6. K. S. Novoselov, A.K. Geim, S.V. Morozov, D. Jiang, Y. Zhang, S.V. Dubonos, I.V. Grigorieva, and A.A. Firsov, Science 306, 666 (2004).
  7. Z. Zhao, F. Tian, X. Dong, Q. Li, Q. Wang, H. Wang, X. Zhong, B. Xu, D. Yu, J. He, H.-T. Wang, Y. Ma, and Y. Tian, J. Am. Chem. Soc. 134, 12362 (2012).
  8. H. Einollahzadeh, R. S. Dariani, and S.M. Fazeli, Solid State Commun. 229, 1 (2016).
  9. Z.G. Yu and Y.-W. Zhang, J. Appl. Phys. 118, 165706 (2015).
  10. W. Xu, G. Zhang, and B. Li, J. Chem. Phys. 143, 154703 (2015).
  11. А.И. Подливаев, К.С. Гришаков, К.П. Катин, М.М. Маслов, Письма в ЖЭТФ 113, 182 (2021).
  12. A. I. Podlivaev, JETP Lett. 111, 613 (2020).
  13. Л.А. Опенов, А.И. Подливаев, Письма в ЖЭТФ 107, 747 (2018).
  14. A. I. Podlivaev, Письма в ЖЭТФ 115, 384 (2022).
  15. J.Wang, Z.Wang, R. J. Zhang, Y.X. Zheng, L.Y. Chen, S.Y. Wang, C.-C. Tsoo, H.-J. Huang, and W.-S. Su, Phys. Chem. Chem. Phys. 20, 18110 (2018).
  16. M.-Q. Cheng, Q. Chen, K. Yang, W.-Q. Huang, W.-Y. Hu, and G.-F. Huang, Nanoscale Res. Lett. 14, 306 (2019).
  17. M.A. Nazir, A. Hassan, Y. Shen, and Q. Wang, Nano Today 44, 101501 (2022).
  18. Z. Sun, K. Yuan, X. Zhang, G. Qin, X. Gong, and D. Tang, Phys. Chem. Chem. Phys. 21, 15647 (2019).
  19. F.Q. Wang, J. Liu, X. Lie, Q. Wang, and Y. Kawazoe, Appl. Phys. Lett. 111, 192102 (2017).
  20. K.A. Tikhomirova, C. Tantardini, E.V. Sukhanova, Z. I. Popov, S.A. Evlashin, M.A. Tarkhov, V. L. Zhdanov, A.A. Dudin, A.R. Oganov, D.G. Kvashnin, and A.G. Kvashnin, J. Phys. Chem. Lett. 11, 3821 (2020).
  21. S.W. Cranford, Carbon 96, 421 (2016).
  22. O. Rahaman, B. Mortazavi, A. Dianat, G. Cuniberti, and T. Rabczuk, FlatChem 1, 65 (2017).
  23. A.V. Kuklin, H. Agren, and P.V. Avramov, Phys. Chem. Chem. Phys. 22, 8289 (2020).
  24. C. P. Ewels, X. Rocquefelte, H.W. Kroto, M. J. Rayson, P.R. Briddon, and M. I. Heggie, PNAS 112, 15609 (2015).
  25. P.V. Avramov, V.A. Demin, M. Luo, C.H. Choi, P.B. Sorokin, B. I. Yakobson, and L.A. Chernozatonskii, J. Phys. Chem. Lett. 6, 4525 (2015).
  26. Y. Zhu, S. Zhang, J. Xu, L. Fan, X. Yu, Y. Wei, C. Hu, and Y. Hang, Diam. Relat. Mater. 122, 108829 (2022).
  27. P. Hohenberg and W. Kohn, Phys. Rev. 136, B864 (1964).
  28. W. Kohn and L. J. Sham, Phys. Rev. 140, A1133 (1965).
  29. G. Kresse and J. Furthm¨uller, Phys. Rev. B 54, 11169 (1996).
  30. G. Kresse and J. Furthm¨uller, Comput. Mater. Sci. 6, 15 (1996).
  31. G. Kresse and J. Hafner, Phys. Rev. B 49, 14251 (1994).
  32. Y. Zhang and W. Yang, Phys. Rev. Lett. 80, 890 (1998).
  33. G. Kresse and D. Joubert, Phys. Rev. B 59, 1758 (1999).
  34. H. J. Monkhorst and J.D. Pack, Phys. Rev. B 13, 5188 (1976).
  35. A. Togo and I. Tanaka, Scr. Mater. 108, 1 (2015).
  36. C. Kittel, Introduction to solid state physics, John Wiley, N.Y. (1966).
  37. S. Plimpton, J. Comput. Phys. 117, 1 (1995).
  38. A.C.T. van Duin, S. Dasgupta, F. Lorant, and W.A. Goddard, J. Phys. Chem. A 105, 9396 (2001).
  39. X. Li, H. Mizuseki, S. J. Pai, and K.-R. Lee, Comput. Mater. Sci. 169, 109143 (2019).
  40. M. Feng, X. Z. Jiang, Q. Mao, K.H. Luo, and P. Hellier, Fuel 254, 115643 (2019).
  41. N. Mounet, M. Gibertini, P. Schwaller, D. Campi, A. Merkys, A. Marrazzo, T. Sohier, I.E. Castelli, A. Cepellotti, G. Pizzi, and N. Marzari, Nat. Nanotechnol. 13, 246 (2018).
  42. G.A. Segal, J. Am. Chem. Soc. 96, 7892 (1974).
  43. L.A. Chernozatonskii, V.A. Demin, A.G. Kvashnin, and D.G. Kvashnin, Applied Surface Science 572, 151362 (2022).
  44. S. Huabing, J. Mater. Chem. 9, 4505 (2021).
  45. A.G. Kvashnin, L.A. Chernozatonskii, B. I. Yakobson, and P.B. Sorokin, Nano Lett. 14, 676 (2014).
  46. P.V. Avramov and A.V. Kuklin, New J. Phys. 24, 103015 (2022).
  47. Y. Ding and Y. Wang, J. Phys. Chem. C 117, 18266 (2013).
  48. L.A. Chernozatonskii, P.B. Sorokin, A.A. Kuzubov, B.P. Sorokin, A.G. Kvashnin, D.G. Kvashnin, P.V. Avramov, and B. I. Yakobson, J. Phys. Chem. C 115, 132 (2011).
  49. X. Wei, B. Fragneaud, C.A. Marianetti, and J.W. Kysar, Phys. Rev. B 80, 205407 (2009).
  50. S. Wang, J. Li, X. Zhu, and M. Wang, Carbon 143, 517 (2019).
  51. J. Shang, L. Pan, X.Wang, J. Li, and Z.Wei, Semicond. Sci. Technol. 33, 034002 (2018).
  52. P.B. Sorokin and B. I. Yakobson, Nano Lett. 21, 5475 (2021).
  53. R.G. Berdiyorov and M. E. Madjet, RSC Adv. 6, 50867 (2016).

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download

Copyright (c) 2023 Российская академия наук

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».