Structural instabilities and wrinkles at the grain boundaries in 2-D h-BN: a first-principles analysis

文献情報

出版日 2014-08-19
DOI 10.1039/C4CP02267J
インパクトファクター 3.676
著者

Anjali Singh, Umesh V. Waghmare


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要旨

The structure of grain boundaries (GBs) or interfaces between nano-forms of carbon determines their evolution into 3-D forms with nano-scale architecture. Here, we present a general framework for the construction of interfaces in 2-D h-BN and graphene in terms of (a) stacking faults and (b) growth faults, using first-principles density functional theoretical analysis. Such interfaces or GBs involve deviation from their ideal hexagonal lattice structure. We show that a stacking fault involves a linkage of rhombal and octagonal rings (4 : 8), and a growth fault involves a linkage of paired pentagonal and octagonal rings (5 : 5 : 8). While a growth fault is energetically more stable than a stacking fault in graphene, the polarity of B and N leads to the reversal of their relative stability in h-BN. We show that the planar structure of these interfacing grains exhibits instability with respect to buckling (out-of-plane deformation), which results in the formation of a wrinkle at the grain boundary (GB) and rippling of the structure. Our analysis leads to prediction of new types of low-energy GBs of 2-D h-BN and graphene. Our results for electronic and vibrational signatures of these interfaces and an STM image of the most stable interface will facilitate their experimental characterization, particularly of the wrinkles forming spontaneously at these interfaces.

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掲載誌

Physical Chemistry Chemical Physics

Physical Chemistry Chemical Physics
CiteScore: 5.5
自己引用率: 10.3%
年間論文数: 3036

Physical Chemistry Chemical Physics (PCCP) is an international journal co-owned by 19 physical chemistry and physics societies from around the world. This journal publishes original, cutting-edge research in physical chemistry, chemical physics and biophysical chemistry. To be suitable for publication in PCCP, articles must include significant innovation and/or insight into physical chemistry; this is the most important criterion that reviewers and Editors will judge against when evaluating submissions. The journal has a broad scope and welcomes contributions spanning experiment, theory, computation and data science. Topical coverage includes spectroscopy, dynamics, kinetics, statistical mechanics, thermodynamics, electrochemistry, catalysis, surface science, quantum mechanics, quantum computing and machine learning. Interdisciplinary research areas such as polymers and soft matter, materials, nanoscience, energy, surfaces/interfaces, and biophysical chemistry are welcomed if they demonstrate significant innovation and/or insight into physical chemistry. Joined experimental/theoretical studies are particularly appreciated when complementary and based on up-to-date approaches.

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