Adsorption von Übergangsmetallen auf schwarzem Phosphor:eine erste grundlegende Studie

Hintergrund

Phosphoren [1,2,3], eine Monoschicht aus Phosphoratomen, die in einer gekräuselten Wabenstruktur angeordnet sind, hat einzigartige Eigenschaften, darunter eine direkte halbleitende Natur [4], ultrahohe Mobilität bei Raumtemperatur [4,5,6], überlegene mechanische Flexibilität [7] und hohe thermoelektrische Leistung [8,9,10]. Diese Eigenschaften machen Phosphoren zu einem sehr geeigneten Material für eine Vielzahl von Anwendungen wie Feldeffekttransistoren [1, 11,12,13,14,15,16], Li- und Na-Ionen-Batterien [17,18,19], Solarzellen [20, 21], Photokatalysatoren [22], Spintronik [23] und Gassensoren [24, 25, 26]. Phosphoren ist jedoch ein nichtmagnetisches Material, und es müssen einige Strategien angewendet werden, um seine Anwendung zu erweitern.

Bei zweidimensionalen (2D) Materialien wird normalerweise die Adsorption als Ansatz gewählt, um Magnetismus für bestimmte Anwendungen zu induzieren. Zuvor haben Cao et al. [27] zeigten, dass die elektronischen und magnetischen Eigenschaften von Graphen effektiv durch Adatome von Fe, Co, Ni und Cu moduliert werden können. Kaloniet al. [28] demonstrierten mithilfe von First-Principles-Rechnungen, dass magnetische Momente in Ti-, V-, Cr-, Mn-, Fe- und Co-dekorierten Silicensystemen induziert werden können. Ersanet al. [29] fand heraus, dass b -Arsenen zeigte nach Adsorption von H-, B-, C-, P-, Ge-, As- und Sb-Atomen spinpolarisierte Eigenschaften. Außerdem w -Arsenen kann magnetische Nettomomente mit den Adatomen H, B, N, P, Cl, Ti, As und Sb erreichen. Für schwarzes Phosphoren haben Kulish et al. [30] sagten voraus, dass Ag-, Au-, Ti-, V-, Cr-, Mn-, Fe- und Co-Phosphoren ziemlich stabil sind und eine Vielzahl magnetischer Momente in theoretischen Rechnungen induziert werden können. Darüber hinaus können die Eigenschaften verschiedener Arten von Ladungsträgern auch durch die Adsorption verschiedener Atome an Phosphoren eingestellt werden. Ding und Wang [31] verwendeten die First-Principles-Rechnungen, um die strukturellen, elektronischen und magnetischen Eigenschaften von an Phosphoren adsorbierten Atomen systematisch aufzuzeigen. Sie stellten fest, dass Adatome Magnetismus in Phosphoren einführen können, wobei P-, Co- und Au-Adatome stabile magnetische Eigenschaften bewirken. Hu und Hong [32] verwendeten die First-Principles-Rechnungen, um die magnetischen Eigenschaften von Metalladatomen auf Phosphoren zu demonstrieren; sie zeigten, dass in Phosphoren durch Adsorption von Cr-, Fe-, Co- oder Au-Atomen an seiner Oberfläche Magnetismus erhalten werden kann. Darüber hinaus sagten sie voraus, dass das Fe-Phosphoren-Adsorptionssystem ein vielversprechendes verdünntes magnetisches halbleitendes Material sein wird. Daher kann erwartet werden, dass die Adsorption von Übergangsmetallen (TMs) auf schwarzem Phosphoren die magnetischen Eigenschaften des Materials effektiv abstimmt.

Obwohl die obigen Untersuchungen das Adsorptionsverhalten von Übergangsmetallen auf schwarzem Phosphoren untersuchten, bleiben einige Fragen ungelöst. Frühere Studien konzentrierten sich beispielsweise hauptsächlich auf die Eigenschaften von an Phosphoren adsorbierten 3d-TMs. Wie werden 4d- und 5d-TMs die Eigenschaften von Phosphoren beeinflussen? Darüber hinaus können auch an Phosphoren absorbierte Edelmetalle als Einzelatom-Katalysatoren verwendet werden. Liet al. [33] schlugen vor, dass Silicen mit adsorbiertem Au ein hochaktiver Katalysator mit niedrigen katalytischen Energiebarrieren für die Oxidation von CO sein kann. Kann ein auf Phosphoren absorbiertes Edelmetall auch ein guter Kandidat für die Oxidation von CO sein? Um diese Fragen zu beantworten, präsentieren wir in diesem Artikel die Ergebnisse einer detaillierten First-Principles-Studie zu den strukturellen, magnetischen und elektronischen Eigenschaften von 12 verschiedenen Arten von Übergangsmetallatomen, die auf schwarzem Phosphoren adsorbiert sind. Wir wählten elementares Fe, Co und Ni aus, die in ihrer Volumenphase ferromagnetische Metalle sind; elementares Cu, das diamagnetisch ist; und die Edelmetalle Ru, Rh, Pd, Ag, Os, Ir, Pt und Au, die bei der CO-Oxidation sehr effektiv sind [19, 34,35,36,37,38,39,40,41,42 ,43,44,45. Wir fanden heraus, dass Phosphoren mit allen 12 Metallen starke Bindungen eingeht und alle TM-Phosphoren-Systeme ziemlich robust sind. Die elektronischen und magnetischen Eigenschaften von Phosphoren können durch die Adatome effektiv eingestellt werden. Darüber hinaus haben wir auch festgestellt, dass die meisten TM-Phosphoren-Adsorptionssysteme gute Kandidaten für den Katalysator bei der CO-Oxidation sind. Die Ergebnisse dieser Untersuchung können für grundlegende Studien zu Phosphoren verwendet werden, und sie können auch sein Anwendungspotenzial in vielen wichtigen Bereichen erweitern .

Methoden/Experimental

Unsere Berechnungen basierten auf der spinpolarisierten Dichtefunktionaltheorie (DFT) und wurden mit dem Vienna Ab Initio Simulation Package (VASP) [46, 47] und der Generalized Gradient Approximation (GGA) des Perdew-Burke-Ernzerhof ( PBE) funktionell [48,49,50]. Zur Berechnung der Van-der-Waals-Wechselwirkung wurde die DFT-D3-Methode von Grimme [51] verwendet. Es wurde eine Energieabschaltung von 400 eV mit einem ebenen Basissatz verwendet. In den Berechnungen wurden die Atome entspannt, bis die Gesamtenergie auf 1 × 10 ⁻⁵ . konvergierte eV und die Restkraft an jedem Atom betrug weniger als 0,01 eV/Å. Eine große Superzelle (4 × 3) entlang der Zickzack- und Sesselrichtung wurde verwendet, um Wechselwirkungen zwischen benachbarten Elementarzellen zu vermeiden. Die Gitterkonstanten wurden auf a . gesetzt = 13,20 Å und b =13,74 Å. Wir haben im z . einen Vakuumraum von 20 Å angelegt Richtung, um die Wechselwirkungen zwischen benachbarten Zwischenschichten zu minimieren. Während der Optimierung wird ein Monkhorst-Pack [52] k -Punktraster von 3 × 3 × 1 wurde angenommen und ein k -Punktraster von 7 × 7 × 1 wurde für die Gesamtenergieberechnungen verwendet.

Ergebnisse und Diskussion

Wir haben zuerst die strukturellen Eigenschaften von reinem Phosphoren untersucht. Abbildung 1a zeigt die Darstellungen der Draufsicht und der Seitenansicht der Kristallstruktur. Es ist ersichtlich, dass die Phosphoren-Monoschicht aus zwei Atomebenen besteht und die Elementarzelle von Phosphoren aus vier P-Atomen besteht. Die Phosphoren-Monoschicht hat ein tetragonales Gitter mit Gleichgewichtsgitterkonstanten a = 3,30 Å und b = 4,58 Å. Die Länge der PP-Bindung in horizontaler Richtung (l ₁ ) beträgt 2,22 Å, während die Länge in die andere Richtung (l ₂ ) beträgt 2,26 Å. Das reine Phosphoren hat eine direkte Bandlücke von 0,89 eV (Abb. 1b), wobei sich sowohl das Leitungsbandminimum (CBM) als auch das Valenzbandmaximum (VBM) am Г-Punkt befinden. Die Gitterkonstante und die Bandlücke, die wir erhalten haben, stimmen sehr gut mit den Werten aus früheren Forschungsstudien überein [30, 31, 32, 53].

a Draufsicht und Seitenansicht der Kristallstruktur von reinem Phosphoren (4 × 3 × 1 Superzelle). Die blauen Kreise stellen typische Positionen eines Fremdatoms dar, das an einer hohlen Stelle (H), auf einer Brücke (B) zwischen zwei Phosphoratomen und auf einem Phosphoratom (T) adsorbiert ist. b Elektronische Bandstruktur und erste Brillouin-Zone aus reinem Phosphoren; das Fermi-Niveau wird auf Null gesetzt

Ein typisches Adatom wird immer an einer von drei Positionen adsorbiert:über einer hohlen Stelle (H), an einer Brücke (B) zwischen zwei Phosphoratomen und über einem Phosphoratom (T). Wir haben die Adsorptionsenergie eines Adatoms auf Phosphoren berechnet, um die Stabilität der Adsorptionssysteme anhand der Beziehung zu untersuchen:

wo E _TM ist die Energie eines isolierten Metallatoms, E _Phosphoren ist die Gesamtenergie der unberührten Phosphorenschicht und E _{TM-Phosphoren} ist die Gesamtenergie des Adsorptionssystems. Basierend auf dieser Gleichung weist eine größere Adsorptionsenergie auf eine stabilere Struktur hin. Wir fanden heraus, dass alle in unserer Arbeit untersuchten Metallatome es vorziehen, auf der H-Seite von Phosphoren zu bleiben. Die berechneten Adsorptionsenergien von Metallatomen, die an der H-Stelle von Phosphoren adsorbiert sind, wie in Tabelle 1 gezeigt, variieren von 2 bis 6 eV. Die Bindungslänge von TM-Phosphoren (d _TM-P ) erwies sich als kurz, im Bereich von 2,1–2,43 Å. Die Bader-Ladungsanalyse [54,55,56] zeigt, dass 0,16, 0,16, 0,07, 0,17, 0,32, 0,33 und 0,16|e| werden in den Adsorptionssystemen (4d-TM)-Phosphoren und (5d-TM)-Phosphoren von den Metallatomen Ru, Rh, Pd, Os, Ir, Pt bzw. Au auf Phosphoren übertragen. Alle diese Ergebnisse weisen auf die Bildung chemischer Bindungen zwischen dem TM-Adatom und Phosphoren hin. Darüber hinaus sind diese Ergebnisse nahe an neueren Studien [30,31,32].

Wie in Tabelle 1 gezeigt, weisen die Ni-, Cu-, Ru-, Rh-, Pd-, Ag-, Os-, Ir- und Pt-Phosphoren-Systeme nichtmagnetische Zustände auf, während die Fe-, Co- und Au -Phosphoren-Systeme haben die magnetischen Momente von 2, 1 und 0,96 μ _B , bzw. Die spinpolarisierte Ladungsdichte (ρ = ρ _Spin-up − ρ _Spin-down ) ist auch in Abb. 2 gezeigt, um den Ursprung und die Verteilung des Magnetismus in den magnetischen TM-Phosphoren-Adsorptionssystemen zu untersuchen. Das magnetische Moment stammt in jedem dieser Fälle hauptsächlich vom Adatom, während ein kleines magnetisches Moment von den nächsten Nachbarn herrührt. Darüber hinaus sind die berechneten Bandstrukturen der Fe-, Co- und Au-Phosphoren-Systeme in Abb. 2 dargestellt. Es ist zu erkennen, dass diese Systeme alle magnetische Halbleiter mit Bandlücken von 0,38, 0,22 bzw. 0,06 eV sind. die für Spintronikanwendungen nützlich sind.

Spindichten der a Fe-Phosphoren, b Co-Phosphoren und c Au-Phosphoren-Systeme sind in der oberen Reihe gezeigt; die entsprechende Bandstruktur jedes Systems wird in der unteren Zeile angezeigt. Die schwarzen und roten Kugeln repräsentieren P- bzw. TM-Atome. In der oberen Reihe ein Diagramm der spinpolarisierten Ladungsdichte mit einem Isoflächenwert der Ladungsdichte von 0,002 e/Å ³ ist der Draufsicht und der Seitenansicht der Kristallstruktur von reinem Phosphoren für jedes der TM-Phosphoren-Systeme überlagert; die gelben und cyanfarbenen Bereiche entsprechen den Aufwärts- bzw. Abwärtsspins. In der Auftragung der Bandstrukturen (untere Reihe) bezeichnen die schwarze und die rote Linie Spin-up- bzw. Spin-down-Kanäle; das Fermi-Niveau ist auf Null gesetzt und wird durch die graue gestrichelte Linie angezeigt

Als nächstes haben wir das Adsorptionsverhalten von O₂ . untersucht auf dem TM-Atom in den TM-Phosphoren-Systemen. Zwei typische energiesparende Konfigurationen für die Adsorption von O₂ auf TM-Phosphoren-Systemen (O₂ -(TM-Phosphoren)) sind in Abb. 3 dargestellt. Für O₂ -(Fe-Phosphoren), O₂ -(Co-Phosphoren), O₂ -(Cu-Phosphoren), O₂ -(Pd-Phosphoren) und O₂ -(Pt-Phosphoren)-Systeme, die O₂ Molekül ist parallel zur Zickzack-Richtung von Phosphoren (Abb. 3a), mit einer O-P-Bindungslänge von 1,84 Å, 1,86 Å, 2,04 Å, 2,18 Å bzw. 2,05 Å. Für die O₂ -(Ni-Phosphoren), O₂ -(Ru-Phosphoren), O₂ -(Rh-Phosphoren), O₂ -(Ag-Phosphoren), O₂ -(Os-Phosphoren), O₂ -(Ir-Phosphoren) und O₂ -(Au-Phosphoren)-Systeme, das Molekül befindet sich entlang der Zickzack-Richtung von Phosphoren (Abb. 3b) in einem bestimmten Winkel von der Oberfläche. Unterdessen sind die beiden benachbarten O-Atome um das TM-Adatom nicht äquivalent. Die Ergebnisse sind in Tabelle 2 dargestellt. Die Adsorptionsenergie (E _Anzeige ) von O₂ auf einem O₂ -(TM-Phosphoren)-System wurde wie folgt berechnet:

wobei \({E}_{{\mathrm{O}}^2-\mathrm{TM}-\mathrm{Phosphoren}}\), E _{TM-Phosphoren} , und \( {E}_{{\mathrm{O}}^2} \) sind die Gesamtenergien der O₂ -(TM-Phosphoren)-System, das TM-Phosphoren-System und das O₂ Molekül bzw. Wie in Tabelle 2 gezeigt, betragen die Adsorptionsenergien 2,659, 1,850, 0,970, 0,906, 2,402, 1,548, 0,001, 0,786, 3,109, 1,980, 0,416 und 1,029 eV für O₂ . -(Fe-Phosphoren), O₂ -(Co-Phosphoren), O₂ -(Ni-Phosphoren), O₂ -(Cu-Phosphoren), O₂ -(Ru-Phosphoren), O₂ -(Rh-Phosphoren), O₂ -(Pd-Phosphoren), O₂ -(Ag-Phosphoren), O₂ -(Os-Phosphoren), O₂ -(Ir-Phosphoren), O₂ -(Pt-Phosphoren) und O₂ -(Au-Phosphoren)-Systeme. In allen Fällen sind die großen Adsorptionsenergien außer der des O₂ -(Pd-Phosphoren)-System zeigen an, dass O₂ wird chemisorbiert.

Draufsicht und Seitenansicht typischer Adsorptionsstellen eines O₂ Molekül auf TM-Phosphoren. Die schwarzen, rosa und gelben Kugeln repräsentieren P-, TM- bzw. O-Atome

Es ist allgemein anerkannt, dass die Verlängerung der O-O-Bindung sowohl für den Langmuir-Hinshelwood- als auch für den Eley-Rideal-Mechanismus eines Katalysators bei der CO-Oxidation entscheidend ist [57]. Generell gilt:Je länger die O-O-Bindungslänge, desto einfacher die Katalysatorreaktion. Die O-O- und TM-O-Bindungslängen in jedem System sind auch in Tabelle 2 aufgeführt. Offensichtlich steigt die O-O-Bindung von 1,23 Å für das reine O₂ . an Molekül auf 1,38, 1,36, 1,32, 1,35, 1,40, 1,34, 1,32, 1,30, 1,46, 1,39, 1,40 bzw. 1,32 Å für das adsorbierte Molekül, möglicherweise weil O₂ ist ein Elektronenakzeptor. Darüber hinaus ist die Bindungslänge von TM-O in den meisten O₂ -(TM-Phosphoren)-System ist aufgrund der Wechselwirkung zwischen O₂ . kurz und die TM-Atome. Diese Bindungslänge variiert von 1,84 bis 2,19 Å und führt zur Bildung chemischer Bindungen. Insbesondere wird die O-O-Bindung im adsorbierten O₂ . auf 1,40 Å verlängert, den höchsten Wert unter den Systemen Molekül auf dem Pt-Phosphoren-System. Somit ist das Pt-Phosphoren-System als Katalysator für die CO-Oxidation gut geeignet, da es wahrscheinlich die hohe katalytische Fähigkeit besitzt.

Um mehr Einblick in den zugrunde liegenden Mechanismus der hohen Aktivität dieser Systeme zu erhalten, haben wir O₂ . ausgewählt -(Pt-Phosphoren) als Beispiel und untersuchte seine lokale Zustandsdichte (LDOS). Abbildung 4a zeigt die LDOS projiziert auf d-Orbitale von Pt im Pt-Phosphoren-System, d-Orbitale von Pt im O₂ -(Pt-Phosphoren)-System, die O-O-Bindung im O₂ -(Pt-Phosphoren)-System und die Gasphase O₂ . Im oberen Bereich von Abb. 4a ist ein Peak bei E . zu sehen _F − 0.6 eV, die aus dem teilweise besetzten d-Orbital von Pt im Pt-Phosphoren-System stammt. Diese Zustände sollten für die hohe Aktivität des Pt-Phosphoren-Systems verantwortlich sein. Nach der Adsorption eines O₂ -Molekül wird das auf d-Orbitale von Pt unterhalb des Fermi-Niveaus projizierte LDOS nach der Adsorption des O₂ . nach unten verschoben Moleküls aufgrund des Ladungstransfers, und auch die Zustände oberhalb des Fermi-Niveaus werden deutlich erhöht. Währenddessen projizierte das LDOS auf das adsorbierte O₂ -Molekül zeigt an, dass das O₂ 2π ^* Orbitale (niedrigstes unbesetztes Molekülorbital, LUMO) werden teilweise besetzt, was sich von seinem Gaswert von E nach unten verschoben hat _F + 2 eV zu E _F − 0,1 eV. Zur Verdeutlichung der Ladungsdichteunterschied des O₂ -(Pt-Phosphoren)-System wird ebenfalls vorgestellt.

a Lokale Zustandsdichte (LDOS) von Pt und O₂ Moleküle in Pt-Phosphoren und O₂ -Pt-Phosphoren-Systeme und Gasphase O₂ , bzw. b Ladungsdichteunterschied im O₂ -(Pt-Phosphoren)-System; der gelbe Bereich (d. h. + 0,002 e/Å ³ ) und der Cyan-Bereich (d. h. − 0,002 e/Å ³ ) entsprechen der Zunahme bzw. dem Verlust der Elektronendichte

Der Ladungsdichteunterschied ist wie folgt definiert:

wo ρ _T , ρ _Molekül , und ρ _absorbiert sind die Gesamtgebühren auf dem O₂ -(Pt-Phosphoren)-System, O₂ Molekül bzw. das Pt-Phosphoren-System. Wie in Abb. 4b gezeigt, ist der große gelbe Bereich lokalisiert auf dem O₂ Molekül zeigt an, dass es einen signifikanten Elektronentransfer von Pt-Phosphoren zu O₂ . gibt , was auch auf die starke orbitale Hybridisierung zwischen O₂ . hinweist und das Pt-Phosphoren-System. Nach der Bader-Ladungsanalyse [54,55,56] beträgt 0,19|e| wird vom Pt-Phosphoren-System auf das O₂ . übertragen Molekül. Daher füllt der große Ladungstransfer die antibindenden Zustände des O₂ Molekül und schwächt die O-O-Bindung deutlich. In ähnlicher Weise kann der zugrunde liegende Mechanismus der hohen Aktivität anderer Systeme auch durch den Ladungstransfer zwischen den O₂ Molekül und das TM-Phosphoren-System. Tatsächlich zeigte die Bader-Ladungsanalyse [54,55,56], dass Ladungen von − 0,68, − 0,50, − 0,42, − 0,52, − 0,46, − 0,24, − 0,24, − 0,37, − 0,53, − 0,25, − 0,19 und − 0.09|e| werden vom TM-Phosphoren auf das Sauerstoffmolekül im O₂ . übertragen -(Fe-Phosphoren), O₂ -(Co-Phosphoren), O₂ -(Ni-Phosphoren), O₂ -(Cu-Phosphoren), O₂ -(Ru-Phosphoren), O₂ -(Rh-Phosphoren), O₂ -(Pd-Phosphoren), O₂ -(Ag-Phosphoren), O₂ -(Os-Phosphoren), O₂ -(Ir-Phosphoren), O₂ -(Pt-Phosphoren) und O₂ -(Au-Phosphoren)-Systeme.

Schließlich haben wir die magnetischen Eigenschaften von O₂ . untersucht -(TM-Phosphoren)-Systeme. Die magnetischen Momente des O₂ -(TM-Phosphoren)-Systeme sind in Tabelle 3 aufgeführt. Die O₂ -(Ni-Phosphoren), O₂ -(Cu-Phosphoren), O₂ -(Rh-Phosphoren), O₂ -(Ag-Phosphoren) und O₂ -(Ir-Phosphoren-)Systeme haben magnetische Momente von 2,00, 1,00, 1,00, 1,14 und 1,00 μ _B , die alle aus der Adsorption eines paramagnetischen O₂ . resultieren Molekül. Die spinpolarisierte Ladungsdichte dieser O₂ -(TM-Phosphoren)-Systeme ist in Abb. 5 dargestellt. Für das O₂ -(Fe-Phosphoren) und O₂ -(Co-Phosphoren)-Systemen, wird das magnetische Moment vermutlich hauptsächlich vom Übergangsmetallatom und dem O₂ . verursacht Molekül. Im Gegenteil, für die O₂ -(Ni-Phosphoren), O₂ -(Cu-Phosphoren), O₂ -(Rh-Phosphoren), O₂ -(Ag-Phosphoren), O₂ -(Ir-Phosphoren) und O₂ -(Au-Phosphoren)-Systeme, das magnetische Moment kommt hauptsächlich vom O₂ Molekül. Diese Hypothesen stimmen mit den Ergebnissen in Tabelle 3 überein. Um besser zu verstehen, wie sich die Adsorption eines Gasmoleküls auf die elektronische Struktur des O₂ . auswirkt -(TM-Phosphoren)-System wurden die elektronischen Bandstrukturen jedes Systems berechnet und die Ergebnisse sind in Abb. 5 dargestellt. Zuerst entdeckten wir, dass um das Fermi-Niveau (E .) ein flaches Band auftritt _F ) nach der Adsorption von O₂ Molekül in allen Systemen, die hauptsächlich aus dem O₂ Molekül. Für die O₂ -(Fe-Phosphoren), O₂ -(Co-Phosphoren), O₂ -(Ni-Phosphoren), O₂ -(Cu-Phosphoren), O₂ -(Rh-Phosphoren), O₂ -(Ir-Phosphoren), O₂ -(Ag-Phosphoren) und O₂ -(Au-Phosphoren)-Systeme, die Kanäle für Spin-up- und Spin-down-Split zeigen die magnetischen Eigenschaften. Die O₂ -(Fe-Phosphoren), O₂ - (Ni-Phosphoren), O₂ -(Cu-Phosphoren), O₂ -(Ir-Phosphoren), O₂ -(Rh-Phosphoren), O₂ -(Ag-Phosphoren) und O₂ -(Au-Phosphoren) zeigen magnetisches halbleitendes Verhalten mit einer beträchtlichen Bandlücke außer O₂ -(Co-Phosphoren)-System, das sich als halbmetallisch erwies. Diese Ergebnisse legen nahe, dass die Systeme das Potenzial für eine Anwendung in der Phosphoren-basierten Spintronik haben.

Spindichten der a O₂ -(Fe-Phosphoren), b O₂ -(Co-Phosphoren), c O₂ -(Ni-Phosphoren), d O₂ -(Cu-Phosphoren), e O₂ -(Ir-Phosphoren), f O₂ -(Rh-Phosphoren), g O₂ -(Ag-Phosphoren) und h O₂ -(Au-Phosphoren)-Systeme sind in der oberen Reihe gezeigt; die entsprechende Bandstruktur jedes Systems wird in der unteren Zeile angezeigt. In der oberen Reihe ein Diagramm der spinpolarisierten Ladungsdichte mit einem Isoflächenwert der Ladungsdichte von 0,002 e/Å ³ ist der Draufsicht und der Seitenansicht der Kristallstruktur von reinem Phosphoren überlagert; die gelben und cyanfarbenen Bereiche entsprechen Aufwärts- bzw. Abwärtsspins. In den Diagrammen der Bandstrukturen bezeichnen die schwarze und die rote Linie Spin-up- bzw. Spin-down-Kanäle; das Fermi-Niveau ist auf Null gesetzt und wird durch die graue gestrichelte Linie angezeigt

Schlussfolgerungen

Wir untersuchten die strukturellen, elektronischen und magnetischen Eigenschaften verschiedener TM-Phosphoren-Systeme. Es wurde festgestellt, dass alle Adatome bevorzugt die hohle Stelle auf Phosphoren besetzen. Die beträchtliche Adsorptionsenergie zeigt, dass alle TM-Phosphoren-Adsorptionssysteme ziemlich robust sind, was darauf hindeutet, dass Phosphoren mit allen 12 Arten von TM-Adatomen starke Bindungen eingeht. Darüber hinaus fanden wir, dass die Dotierung mit Fe, Co und Au zu magnetischen Halbleitereigenschaften in einschichtigem Phosphoren führen kann, mit magnetischen Gesamtmomenten von 2, 1 und 0,96 μ _B , bzw.

Darüber hinaus haben wir auch die Eigenschaften eines O₂ . untersucht Molekül, das an das TM-Phosphoren-System adsorbiert ist. Es war sehr ermutigend, dass alle O₂ -(TM-Phosphoren)-Systeme, außer O₂ -(Pd-Phosphoren), zeigen aufgrund der Verlängerung der O-O-Bindung eine gute katalytische Aktivität für die Oxidation von CO. Die O₂ -(Fe-Phosphoren), O₂ -(Ni-Phosphoren), O₂ -(Cu-Phosphoren), O₂ -(Rh-Phosphoren), O₂ -(Ag-Phosphoren), O₂ -(Ir-Phosphoren) und O₂ -(Au-Phosphoren)-Systeme zeigen spinpolarisierte halbleitende Eigenschaften mit magnetischen Momenten von 2,00, 2,00, 1,00, 1,00, 1,14, 1,00 und 1,00 μ _B . Die O₂ -(Co-Phosphoren) zeigt magnetische halbmetallische Eigenschaften mit einem magnetischen Moment von 2,00 μ _B . Daher könnten unsere Ergebnisse neue Möglichkeiten für die Anwendung von Phosphoren in den Bereichen Katalyse und Spintronik eröffnen.

Abkürzungen

2D:

Zweidimensional

B:

Brücke

GGA:

Verallgemeinerte Gradienten-Approximation

H:

Leere Seite

LDOS:

Lokale Dichte der Staaten

PBE:

Perdew-Burke-Ernzerh

T:

Spitze eines Phosphoratoms

TM:

Übergangsmetall