Influência da dopagem de alumínio nas propriedades mecânicas do siliceno bicamada

Autores

DOI:

https://doi.org/10.5902/2179460X87036

Palavras-chave:

Siliceno bicamada, Dopagem, Alumínio, Dinâmica molecular, Propriedades mecânicas

Resumo

O siliceno, um material bidimensional com aplicações potenciais em futuras tecnologias, tem despertado grande interesse na última década. Recentemente, bastante atenção vem sendo dada a modificação das propriedades eletrônicas e magnéticas do siliceno por meio da adsorção de adátomos ou da dopagem substitucional. Enquanto as propriedades magnéticas, eletrônicas e óticas do siliceno dopado foram extensivamente estudadas, existe uma lacuna na literatura em relação às suas propriedades mecânicas. Neste contexto, este estudo aborda essa lacuna explorando as características mecânicas do silicene bilayer dopado com alumínio por meio de simulações de dinâmica molecular. A influência da concentração de Al na resposta mecânica do material é avaliada por testes de tração realizados a uma taxa de deformação de 1010 s-1. Os resultados revelam uma diminuição monotônica da resistência mecânica com a concentração de Al em ambas as direções de carregamento, zigzag e armchair. A deformação se inicia com a ruptura das ligações Si-Al, levando eventualmente a uma fratura frágil.

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Biografia do Autor

Bryan Angel Leite dos Santos, Universidade do Estado do Rio de Janeiro

Estudante de Engenharia Mecânica.

Alexandre Melhorance Barboza, Universidade do Estado do Rio de Janeiro

Engenheiro mecânico com distinção acadêmica Magna Cum Laude e doutor em modelagem computacional (doutorado direto) pela Universidade do Estado do Rio do Janeiro (UERJ). Possui conhecimento na área de dinâmica molecular direcionada a materiais nanocristalinos e bidimensionais, atuando principalmente no estudo dos mecanismos de deformação e propriedades termomecânicas empregando simulações atomísticas com o código LAMMPS.

Luis César Rodríguez Aliaga, Universidade do Estado do Rio de Janeiro

Possui graduação em Computacion e Informática pelo Instituto Tecnológico Manuel Gonzales Prada (1995), graduação em Física pela Universidad Nacional de Trujillo - Perú (1999), mestrado em Física pela Universidade Federal de São Carlos (2003) e doutorado em Ciência e Engenharia de Materiais pela Universidade Federal de São Carlos (2007). Tem experiência na área de física de cerâmicas com ênfase em supercondutores, em Engenharia de Materiais e Metalúrgica, com ênfase em Materiais Amorfos e Nano cristalinos, atuando principalmente nos seguintes temas: Vidros metálicos, critérios de amorfização, cristalização também como em física da queima de combustível nuclear, produtos de fissão e absorvedoras de nêutrons, Desenvolvimento tecnológico de ligas avançadas metaestáveis e simulação em dinâmica molecular.

Ivan Napoleão Bastos, Universidade do Estado do Rio de Janeiro

Graduado em Engenharia Metalúrgica pela Universidade Federal do Rio de Janeiro (1991), mestre em Engenharia Metalúrgica e de Materiais pela Universidade Federal do Rio de Janeiro (1994) e doutor em Engenharia Metalúrgica e de Materiais pela Universidade Federal do Rio de Janeiro (1999). Pós-doutorado pelo Institut National Polytechnique de Grenoble - França. Professor titular da Universidade do Estado do Rio de Janeiro. Pesquisador de produtividade em pesquisa do CNPq desde 2008. Tem experiência na área de Engenharia de Materiais e Metalúrgica, com ênfase em corrosão, atuando principalmente nos seguintes temas: corrosão, aço inoxidável, técnicas eletroquímicas aplicadas à corrosão, corrosão sob esforços mecânicos. 

Referências

Andrade, J. S., Bastos, I. N., Aliaga, L. C. R. (2021). Determinação das características estruturais e mecânicas da liga de alta entropia Hf-Nb-Ta-Zr. VETOR - Revista De Ciências Exatas E Engenharias, 30(2), 22–32. https://doi.org/10.14295/vetor.v30i2.13090.

Barboza, A. M., Aliaga, L. C. R., Faria, D., Bastos, I. N. (2022). Bilayer graphene kirigami, Carbon Trends, 9, 100227. https://doi.org/10.1016/j.cartre.2022.100227.

Barboza, A. M., Silva-Santos, J. A., Aliaga, L. C. R., Bastos, I. N., Faria, D. (2024). Silicene growth mechanisms on Au(111) and Au(110) substrates, Nanotechnology, 35, 165602. https://doi.org/10.1088/1361-6528/ad1aff.

Castillo, M. R. C., Meza, M. A. R., Montes, L. M. (2018). Mechanical response of bilayer silicene nanoribbons under uniaxial tension. RSC Advances, 8, 10785–10793. https://doi.org/10.1039/C7RA12482A.

Chen, C.-H., Li, W.-W., Chang, Y.-M., Lin, C.Y. et al. (2018). Negative-Differential-Resistance Devices Achieved by Band-Structure Engineering in Silicene under Periodic Potentials. Physical Review Applied, 10, 044047. https://doi.org/10.1103/PhysRevApplied.10.044047.

Chiappe, D., Scalise, E., Cinquanta, E., Grazianetti, C. et al. (2014). Two-Dimensional Si Nanosheets with Local Hexagonal Structure on a MoS2 Surface. Advanced Materials, 26, 2096–2101. https://doi.org/10.1002/adma.201304783.

Chowdhury, S., Jana, D. (2016). A theoretical review on electronic, magnetic and optical properties of silicene. Reports on Progress in Physics, 79, 126501. https://doi.org/10.1088/0034-4885/79/12/126501.

Dávila, M. E., Lay, G. L. (2022). Silicene: Genesis, remarkable discoveries, and legacy. Materials today advances, 16, 100312. https://doi.org/10.1016/j.mtadv.2022.100312.

Das, R., Chowdhury, S., Majumdar, A., Jana, D. (2015). Optical properties of P and Al doped silicene: a first principles study. RSC Advances, 5, 41–50. https://doi.org/10.1039/C4RA07976K.

De Crescenzi, M., Berbezier, I., Scarselli, M., Castrucci, P. et al. (2016). Formation of Silicene Nanosheets on Graphite. ACS Nano, 10, 11163–11171. https://doi.org/10.1021/acsnano.6b06198.

Dean, J.A. (1999). Lange’s Handbook of Chemistry. 15th Edition, McGraw-Hill, Inc., New York, St. Louis, San Francisco.

Ezawa, M. (2015). Monolayer Topological Insulators: Silicene, Germanene, and Stanene. Journal of the Physical Society of Japan, 84, 121003. https://doi.org/10.7566/JPSJ.84.121003.

Fleurence, A., Friedlein, R., Ozaki, T., Kawai, H. et al. (2012). Experimental Evidence for Epitaxial Silicene on Diboride Thin Films. Physical Review Letters, 108, 245501. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.108.245501.

Fu, H., Zhang, J., Ding, Z., Li, H. et al. (2014). Stacking-dependent electronic structure of bilayer silicene. Applied Physics Letters, 104 (13), 131904. https://doi.org/10.1063/1.4870534.

Gablech, I., Pekárek, J., Klempa, J., Svatoš, V. et al. (2018). Monoelemental 2D materials-based field effect transistors for sensing and biosensing: Phosphorene, antimonene, arsenene, silicene, and germanene go beyond graphene. TrAC Trends in Analytical Chemistry, 105, 251–262. https://doi.org/10.1016/j.trac.2018.05.008.

Galashev, A. Y., Suzdaltsev, A. V., Ivanichkina, K. A. (2020). Design of the high performance microbattery with silicene anode. Materials Science and Engineering B, 261, 114718. https://doi.org/10.1016/j.mseb.2020.114718.

Gu X., Yang, R. (2015). First-principles prediction of phononic thermal conductivity of silicene: a comparison with graphene. Journal of Applied Physics, 117, 025102(1). https://doi.org/10.1063/1.4905540.

Hirel, P. (2015). Atomsk: A tool for manipulating and converting atomic data files, Computer Physics Communications, 197, 212–219. https://doi.org/10.1016/j.cpc.2015.07.012.

Huang, S., Kang, W., Yang, L. (2013). Electronic structure and quasiparticle bandgap of silicene structures. Applied Physics Letters, 102, 133106(1). https://doi.org/10.1063/1.4801309.

Ipaves, B., Justo, J. F., Assali, L. V. C. (2022). Functionalized few-layer silicene nanosheets: stability, elastic, structural, and electronic properties. Physical Chemistry Chemical Physics, 24, 8705–8715. https://doi.org/10.1039/D1CP05867C.

Jouhari, C., Liu, Y., Dickel, D. (2023). Phase-Field Modeling of Aluminum Foam Based on Molecular Dynamics Simulations. In: TMS 2023 152nd Annual Meeting & Exhibition Supplemental Proceedings, 632–641.

Kharadi, M. A., Mittal, S., Saha, J. (2023). Structural, electronic and optical properties of fluorinated bilayer silicene. Optical Materials, 136, 113418. https://doi.org/10.1016/j.optmat.2022.113418.

Lee, K. W., Lee, C. E. (2020). Strain and doping effects on the antiferromagnetism of AB-stacked bilayer silicene. Physica B: Condensed Matter, 577, 411816. https://doi.org/10.1016/j.physb.2019.411816.

Li, W. Z., He, Y., Mao, Y., Xiong, K. (2023). Tuning of magnetic, electronic and electrolytic water properties of silicene supported precious-metal by non-metal doping and vacancy defect, FlatChem, 38, 100486. https://doi.org/10.1021/acsomega.2c03388.

Liu, B., Reddy, C. D., Jiang, J., Zhu, H. et al. (2014). Thermal conductivity of silicene nanosheets and the effect of isotopic doping. Applied Physics Letters, 47, 165301(1). https://doi.org/10.1088/0022-3727/47/16/165301.

Masson, L., Prévot, G. (2023). Epitaxial growth and structural properties of silicene and other 2D allotropes of Si. Nanoscale Advances, 5, 1574. DOI https://doi.org/10.1039/D2NA00808D.

Maździarz, M. (2023). Transferability of interatomic potentials for silicene. Beilstein Journal of Nanotechnology, 14, 574–585. https://doi.org/10.3762/bjnano.14.48.

Meng, L., Wang, Y., Zhang, L., Du, S. et al. (2013). Buckled Silicene Formation on Ir(111). Nano Letters, 13, 685–690. https://doi.org/10.1021/nl304347w.

Mortazavi, B., Ahzi, S. (2012). Molecular dynamics study on the thermal conductivity and mechanical properties of boron doped graphene. Solid State Communications, 152, 15, 1503–1507. https://doi.org/10.1016/j.ssc.2012.04.048.

Mortazavi, B., Ahzi, S., Toniazzo, V., Rémond, Y. (2012). Nitrogen doping and vacancy effects on the mechanical properties of graphene: A molecular dynamics study. Physics Letters A, 376, Issues 12–13, 1146–1153. https://doi.org/10.1016/j.physleta.2011.11.034.

Nahid, S. M., Nahian, S., Motalab, M., Rakib, T. et al. (2018). Tuning the mechanical properties of silicene nanosheet by auxiliary cracks: a molecular dynamics study. RSC Advances, 8, 30354–30365. https://doi.org/10.1039/C8RA04728F.

Oughaddou, H., Enriquez, H., Tchalala, M. R., Bendounan, A. et al. (2016). Silicene: Structure, Properties and Applications; Spencer, M. J., Morishita, T., Eds., Springer International Publishing: Cham, 167–181. https://doi.org/10.1007/978-3-319-28344-9_8.

Padilha, J. E., Pontes, R. B. (2015). Free-Standing Bilayer Silicene: The Effect of Stacking Order on the Structural, Electronic, and Transport Properties. Journal of Physical Chemistry C, 119 (7), 3818–3825. https://doi.org/10.1021/jp512489m.

Peng, W., Xu, T., Diener, P., Biadala, L. et al. (2018). Resolving the Controversial Existence of Silicene and Germanene Nanosheets Grown on Graphite. ACS Nano, 12, 4754–4760. https://doi.org/10.1021/acsnano.8b01467.

Qian, C., Li, Z. (2020). Multilayer silicene: Structure, electronics, and mechanical property, Computational Materials Science, 172, 109354. https://doi.org/10.1016/j.commatsci.2019.109354.

Rahman, Md. H., Mitra, S., Motalaba, M., Bose, P. (2020). Investigation on the mechanical properties and fracture phenomenon of silicon doped graphene by molecular dynamics simulation. RSC Advances, 10, 31318–31332. https://doi.org/10.1039/D0RA06085B.

Rojas-Cuervo, A. M., Fonseca-Romero K. M., Rey-González, R. R. (2014). Anisotropic Dirac cones in monoatomic hexagonal lattices a DFT study. The European Physical Journal B, 87, 67. https://doi.org/10.1140/epjb/e2014-40894-9.

Roman, R. E., Cranford, S. W. (2014). Mechanical properties of silicene. Computational Materials Science, 82, 50–55. https://doi.org/10.1016/j.commatsci.2013.09.030.

Rouhi, S. (2017). Fracture behavior of hydrogen-functionalized silicene nanosheets by molecular dynamics simulations. Computational Materials Science, 131, 275–285. https://doi.org/10.1016/j.commatsci.2017.02.007.

Rouhi, S., Pourmirzaagha, H., Farzin, A. et al. (2019). Predicting the mechanical properties of multi-layered silicene by molecular dynamics simulations. Materials Research Express, 6, 085004. https://doi.org/10.1088/2053-1591/ab1b81.

Satta, M., Lacovig, P., Apostol, N., Dalmiglio, M. et al. (2018). The adsorption of silicon on an iridium surface ruling out silicene growth. Nanoscale, 10, 7085–7094. https://doi.org/10.1039/C8NR00648B.

Starikov, S., Gordeev, I., Lysogorskiy, Y., Kolotova, L. et al. (2020). Optimized interatomic potential for study of structure and phase transitions in Si-Au and Si-Al systems. Computational Materials Science, 184, 109891. https://doi.org/10.1016/j.commatsci.2020.109891.

Stepniak-Dybala, A., Krawiec, M. (2019). Formation of Silicene on Ultrathin Pb(111) Films. Journal of Physical Chemistry C, 123, 17019–17025. https://doi.org/10.1021/acs.jpcc.9b04343.

Stepniak-Dybala, A., Dyniec, P., Kopciuszyski, M., Zdyb, R. et al. (2019). Planar Silicene: A New Silicon Allotrope Epitaxially Grown by Segregation. Advanced Functional Materials, 29, 1906053. https://doi.org/10.1002/adfm.201906053.

Stukowski, A. Visualization and analysis of atomistic simulation data with OVITO–the Open Visualization Tool. (2009). Modelling and Simulation in Materials Science and Engineering, 18, 015012. https://doi.org/10.1088/0965-0393/18/1/015012.

Subramaniyan, A. K., Sun, C. T. (2008). Continuum interpretation of virial stress in molecular simulations. International Journal of Solids and Structures, 45, 4340–4346. https://doi.org/10.1016/j.ijsolstr.2008.03.016.

Takeda, K., Shiraishi, K. (1994). Theoretical possibility of stage corrugation in Si and Ge analogs of graphite. Physical Review B, 50, 14916–14922. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.50.14916.

Tao, L., Cinquanta, E., Chiappe, D., Grazianetti, C., Fanciulli, M. et al. (2015). Silicene field-effect transistors operating at room temperature. Nature Nanotech, 10, 227–231. https://doi.org/10.1038/nnano.2014.325.

Tao, W., Kong, N., Ji, X., Zhang, Y. et al. (2019). Emerging two-dimensional monoelemental materials (Xenes) for biomedical applications. Chemical Society Reviews, 48, 2891–2912. https://doi.org/10.1039/C8CS00823J.

Thompson, A. P., Aktulga, H. M., Berger, R., Bolintineanu, D. S. et al. (2022). LAMMPS - a flexible simulation tool for particle-based materials modeling at the atomic, meso, and continuum scales. Computer Physics Communications, 271, 108171. https://doi.org/10.1016/j.cpc.2021.108171.

Van Bremen, R.; Yao, Q., Banerjee, S., Cakir, D., Oncel, N. et al. (2017). Intercalation of Si between MoS(2) layers. Beilstein Journal of Nanotechnology, 8, 1952–1960. https://doi.org/10.3762/bjnano.8.196.

Vogt, P., De Padova, P., Quaresima, C., Avila, J. et al. (2012). Silicene: Compelling Experimental Evidence for Graphene like Two-Dimensional Silicon. Physical Review Letters, 108, 155501. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.108.155501.

Xu, P., Yu, Z., Yang, C., Lu, P. et al (2014). Comparative study on the nonlinear properties of bilayer graphene and silicene under tension. Super Lattices and Microstructures, 75, 647–656. https://doi.org/10.1016/j.spmi.2014.08.022.

Wang, T., Li, C., Xia, C., Yin, L. et al. (2020). Silicene/BN vdW heterostructure as an ultrafast ion diffusion anode material for Na-ion battery. Physica E: Low-dimensional Systems and Nanostructures, 122, 114146. https://doi.org/10.1016/j.physe.2020.114146.

Yang, C., Yu, Z., Lu, P., Liu, Y. et al. (2014). Phonon instability and ideal strength of silicene under tension. Computational Materials Science, 95, 420–428. https://doi.org/10.1016/j.commatsci.2014.07.046.

Ye X. S., Shao Z. G., Zhao H., Yang L. et al. (2014). Electronic and optical properties of silicene nanomeshes. RSC Advances, 4, 37998. https://doi.org/10.1039/C4RA03942D.

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Publicado

2024-11-04

Como Citar

Santos, B. A. L. dos, Barboza, A. M., Aliaga, L. C. R., & Bastos, I. N. (2024). Influência da dopagem de alumínio nas propriedades mecânicas do siliceno bicamada. Ciência E Natura, 46(esp. 1), e87036. https://doi.org/10.5902/2179460X87036

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Seção

Edição Especial 1

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