Prediction of a novel 2D porous boron nitride material with excellent electronic, optical and catalytic properties

石墨 材料科学 带隙 氮化硼 密度泛函理论 化学物理 电子能带结构 氮化物 纳米技术 光电子学 计算化学 石墨烯 凝聚态物理 化学 物理 图层(电子)
作者
Vikram Mahamiya,Alok Shukla,Brahmananda Chakraborty
出处
期刊:Physical Chemistry Chemical Physics [Royal Society of Chemistry]
卷期号:24 (35): 21009-21019 被引量:9
标识
DOI:10.1039/d2cp02705d
摘要

Holey graphyne (HGY) is a recently synthesized two-dimensional semiconducting allotrope of carbon composed of a regular pattern of six- and eight-vertex carbon rings. In this study, based on first-principles density functional theory and molecular dynamics simulations, we predict a similar stable porous boron nitride holey graphyne-like structure that we call BN-holey-graphyne (BN-HGY). The dynamical and thermal stability of the structure at room temperature is confirmed by performing calculations of the phonon dispersion relations, and also ab initio molecular dynamics simulations. The BN-HGY structure has a wide direct band gap of 5.18 eV, which can be controllably tuned by substituting carbon, aluminum, silicon, and phosphorus atoms in place of sp and sp2 hybridized boron and nitrogen atoms of BN-HGY. We have also calculated the optical properties of the HGY and BN-HGY structures for the first time and found that the optical absorption spectra of these structures span the full visible region and a wide range of the ultraviolet region. We found that the Gibbs free energy of the BN-HGY structure for the hydrogen adsorption process is very close to zero (-0.04 eV) and, therefore, the BN-HGY structure can be utilized as a potential catalyst for the HER. Therefore, we propose that the boron nitride analog of holey graphyne can be synthesized, and it has a wide range of applications in nanoelectronics, optoelectronics, spintronics, ultraviolet lasers, and solar cell devices.

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