Дослiдження стабiльностi, електронних, оптичних та теплових властивостей двовимiрного напiвпровiдника BiBr₃ за допомогою DFT
Анотація
Теорiя функцiоналу густини (DFT) служить методом перших принципiв для ретельного дослiдження стабiльностi структури та аналiзу електронних, оптичних та теплових характеристик двовимiрного трибромiду вiсмуту (2D BiBr3). Моделювання молекулярної динамiки ab-initio (AIMD) показує, що структура є термiчно стабiльною при 300 K. BiBr3 поводиться як напiвпровiдник iз забороненою зоною 2,84 еВ згiдно з його електронною зонною структурою та аналiзом часткової густини станiв (PDOS). Оптична характеристика показує, що BiBr3 має сильнi взаємодiї у видимому та ультрафiолетовому дiапазонах довжин хвиль, що демонструє його потенцiал у наступному поколiннi оптичних та оптоелектронних пристроїв. Чудове значення термоЕРС, оцiнене за допомогою розрахункiв переносу Больцмана, пiдкреслює перспективнiсть BiBr3 у низькотемпературному термоелектричному управлiннi. Це дослiдження передбачає покращення коефiцiєнта потужностi, зумовленого температурою, яке досягає пiку в 3.25 ×1012 W/K2·см·с при 300K. BiBr3 демонструє помiрну теплоємнiсть при середнiх та високих температурах, зберiгаючи при цьому дуже низьку теплопровiднiсть. Це пiдкреслює його здатнiсть ефективно керувати теплом та служити iзолятором у рiзних застосуваннях. Детальнi результати показують, що 2D BiBr3 є потенцiйно сприятливим матерiалом з рiзноманiтними можливостями в бiльшостi технологiчних застосувань.
Завантаження
Посилання
S.S. Prasad, R.K. Mishra, S. Gupta, S. Prasad, and S. Singh, ”Introduction, History, and Origin of Two Dimensional (2D) Materials,” in: Advanced Applications of 2D Nanostructures. Materials Horizons: From Nature to Nanomaterials, edited by Singh, S., Verma, K., Prakash, C. (Springer, Singapore, 2021), pp. 1-9. https://doi.org/10.1007/978-981-16-3322-5_1
X. Duan, and H. Zhang, ”Introduction: two-dimensional layered transition metal dichalcogenides,” Chem. Rev. 124(19), 10619–10622 (2024). https://doi.org/10.1021/acs.chemrev.4c00586
M. U. Khandaker, H. Osman, S. A. Issa, M. Uddin, M. H. Ullah, H. Wahbi, and M. Hanfi, ”Newly predicted halide perovskites Mg3-AB3 (A= N, Bi; B= F, Br, I) for next-generation photovoltaic applications: a first-principles study,” RSC advances, 15(8), 5766-5780 (2025). https://doi.org/10.1039/D4RA09093D
K. S. Novoselov, A. K. Geim, S. V. Morozov, D.E. Jiang, Y. Zhang, S. V. Dubonos, I. V. Grigorieva, and A. A. Firsov, ”Electric field effect in atomically thin carbon films,” Science, 306(5696), 666-669 (2004). https://doi.org/10.1126/science.1102896
S. Abdu, A. Shu’aibu, M. Aboh, and M. Abubakar, ”Computations of the band structure and linear optical properties of methylammonium bismuth bromide and methylammonium galluim bromide using FHI-aims code,” Science World Journal, 14(2), 101-105 (2019). https://scienceworldjournal.org/article/view/19450/13175
S. Yosim, L. Ransom, R. Sallach, and L. Topol, ”The bismuth-bismuth tribromide and bismuth-bismuth triiodide systems,” The Journal of Physical Chemistry, 66(1), 28-31 (1962). https://doi.org/10.1021/j100807a006
K. R. Kurbanov, and N. N. Kurbanova, ”Structrural peculiarities and some electrical-and-physical properties of bismuth oxide and antimony trichloride and tribromide,” Ph.D. thesis, Sumy State University Publishing House (2011).
G. Huang, Y. Q. Sun, Z. Xu, M. Zeller, and A. D. Hunter, ”Structural regularity and diversity in hybrids of aromatic thioethers and BiBr3: from discrete complexes to layers and 3D nets, Dalton Transactions, (26), 5083-5093 (2009). https://doi.org/10.1039/B902490P
Y. Xu, M. Lyu, and J. Zhu, ”Surface engineering in CsPbX 3 quantum dots: from materials to solar cells,” Materials Chemistry Frontiers, 8(9), 2029-2055 (2024). https://doi.org/10.1039/D3QM00911D
M. M. R. Al-Fartoos, A. Roy, T. K. Mallick, and A. A. Tahir, ”Advancing thermoelectric materials: a comprehensive review exploring the significance of one-dimensional nano structuring,” Nanomaterials, 13(13) 2011 (2023). https://doi.org/10.3390/nano13132011
X. Liu, Z. Wang, G. Yu, Z. Sun, G. Zhang, X. Q. Wang, L. Zhu, et al., ”Growth morphology of {1 0 1} surfaces of larginine trifluoroacetate crystals investigated by afm,” Journal of Physics and Chemistry of Solids, 68(4), 608-610 (2007). https://doi.org/10.1016/j.jpcs.2007.02.002
P. Giannozzi, S. Baroni, N. Bonini, M. Calandra, R. Car, C. Cavazzoni, D. Ceresoli, et al., ”Quantum espresso: a modular and open-source software project for quantumsimulations of materials,” Journal of physics: Condensed matter, 21(39), 395502 (2009). https://doi.org/10.1088/0953-8984/21/39/395502
S. Baroni, S. De Gironcoli, A. Dal Corso, and P. Giannozzi, ”Phonons and related crystal properties from density-functional perturbation theory,” Reviews of modern Physics, 73(2), 515 (2001). https://doi.org/10.1103/RevModPhys.73.515
L. Fornaro, C. Maidana, H. B. Pereira, A. Noguera, and A. Olivera, ”Bismuth tri-iodide-Graphene 2D material,” Journal of Crystal Growth, 639, 127738 (2024). https://doi.org/10.1016/j.jcrysgro.2024.127738
D. Cubicciotti, ”Thermodynamic properties of bismuth (i) bromide and bismuth (iii) bromide,” Inorganic Chemistry, 7(2), 208-211 (1968). https://doi.org/10.1021/ic50060a005
Z. Deng, F. Wei, Y. Wu, R. Seshadri, A. K. Cheetham, and P. Canepa, ”Understanding the structural and electronic properties of bismuth trihalides and related compounds,” Inorganic Chemistry, 59(6), 3377-3386 (2020). https://doi.org/10.1021/acs.inorgchem.9b03214
A. Darmawan, E. Suprayoga, A. A. AlShaikhi, and A. R. Nugraha, ”Thermoelectric properties of two-dimensional materials with combination of linear and nonlinear band structures,” Materials Today Communications, 33, 104596 (2022). https://doi.org/10.1016/j.mtcomm.2022.104596
N. R. Abdullah, B. J. Abdullah, H. G. Hussein, and V. Gudmundsson, ”Novel ZnO nanosheet with buckling stress: First principles study of electronic, structural stability, phonon vibrations, lattice thermal and optical conductivity,” Chemical Physics Letters, 844, 141269 (2024). https://doi.org/10.1016/j.cplett.2024.141269
D. Alf`e, ”Phon: A program to calculate phonons using the small displacement method,” Computer Physics Communications, 180(12), 2622-2633 (2009). https://doi.org/10.1016/j.cpc.2009.03.010
A. Togo, and I. Tanaka, ”First principles phonon calculations in materials science,” Scripta Materialia, 108, 1-5 (2015). https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2015.07.021
J. P. Perdew, K. Burke, and M. Ernzerhof, ”Generalized gradient approximation made simple,” Physical review letters, 77(18), 3865 (1996). https://doi.org/10.1103/physrevlett.77.3865
K. Persson, Materials data on BiBr3 (sg:14) by materials project, an optional note, (2016). https://doi.org/10.17188/1288706
Y. Boran, and H. Kara, ”A comprehensive density functional theory analysis on structural, electronic, and optical properties of BiOF,” Brazilian Journal of Physics, 54(5), 159 (2024). https://doi.org/10.1007/s13538-024-01523-w
X. He, Y. Wu, S. Liu, W. He, S. Li, G. Huo, L. Jiang, et al., ”Large-scale ultrastable 2D inorganic molecular crystal BiBr3 and heterostructures with superior photoluminescence enhancement,” Advanced Functional Materials, 34(39), 2403273 (2024). https://doi.org/10.1002/adfm.202403273
A. Jehan, M. Husain, S. Bibi,N. Rahman,V.Tirth, A. Azzouz-Rached, M.Y. Khan, et al., ”Insight into the structural, optoelectronic, and elastic properties of AuXF3 (X= Ca, Sr) fluoroperovskites: Dft study,” Optical and Quantum Electronics, 55(14), 1242 (2023). https://doi.org/10.1007/s11082-023-05394-4
A. Bafekry, M. Yagmurcukardes, B. Akgenc, M. Ghergherehchi, and B. Mortazavi, ”First-principles investigation of electronic, mechanical and thermoelectric properties of graphene-like XBi (X= Si, Ge, Sn) monolayers,” Physical Chemistry Chemical Physics, 23(21), 12471-12478 (2021). https://doi.org/10.1039/d1cp01183a
H. van Gog, W.-F. Li, C. Fang, R. S. Koster, M. Dijkstra, and M. van Huis, ”Thermal stability and electronic and magnetic properties of atomically thin 2D transition metal oxides,” npj 2D Materials and Applications, 3(1), 18 (2019). https://doi.org/10.1038/s41699-019-0100-z
N. R. Abdullah, B. J. Abdullah, and V. Gudmundsson, ”DFT study of tunable electronic, magnetic, thermal, and optical properties of a Ga2Si6 monolayer,” Solid State Sciences, 125, 106835 (2022). https://doi.org/10.1016/j.solidstatesciences.2022.106835
J. Xie, Z. Zhang, D. Yang, D. Xue, and M. Si, ”Theoretical prediction of carrier mobility in few-layer BC2N,” The Journal of Physical Chemistry Letters, 5(23), 4073-4077 (2014). https://doi.org/10.1021/jz502006z
N.R. Abdullah, G.A. Mohammed, H. O. Rashid, and V. Gudmundsson, ”Electronic, thermal, and optical properties of graphene like SiCx structures: Significant effects of Si atom configurations,” Physics Letters A, 384(24), 126578 (2020). https://doi.org/10.1016/j.physleta.2020.126578
Y. H. Shwan, M. A. Ameen, and A. S. Mahmood, ”DFT study of electronic, optical, and thermodynamic properties of the 2D shape of Bi4O6 structure,” Solid State Communications, 404, 116095 (2025). https://doi.org/10.1016/j.ssc.2025.116095
S. Qi, Y. Zhang, R. Zhang, X. Liu, and H. Xu, ”First-principles and experiment investigation of Bi2O3/Bi2WO6 heterojunctions,” Colloid and Interface Science Communications, 44, 100502 (2021). https://doi.org/10.1016/j.colcom.2021.100502
Y. H. Shwan, B. N. Ghafoor, and G. H. Hamasalih, ”Optimization of surface plasmon resonance (SPR) for gold/air interface by using kretschmann configuration,” Engineering and Technology Journal, 40(10), 1334-1341 (2022). https://doi.org/10.30684/etj.2022.132902.1151
H. Lashgari, A. Boochani, A. Shekaari, S. Solaymani, E. Sartipi, and R. T. Mendi, ”Electronic and optical properties of 2D graphene-like ZnS: DFT calculations,” Applied Surface Science, 369, 76-81 (2016). https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2016.02.042
A. Akrap, J. Teyssier, A. Magrez, P. Bugnon, H. Berger, A. B. Kuzmenko, and D. Van Der Marel, ”Optical properties of BiTeBr and BiTeCl,” Physical Review B, 90(3), 035201 (2014). https://doi.org/10.1103/physrevb.90.035201
J.-L. Meyzonnette, J. Mangin, and M. Cathelinaud, Refractive index of optical materials, in: Springer Handbook of Glass, (Springer, 2019), pp. 997-1045. https://dx.doi.org/10.1007/978-3-319-93728-1 29
A. Ghaleb, and A. Ahmed, ”Structural, electronic, and optical properties of sphalerite ZnS compounds calculated using density functional theory (DFT),” Chalcogenide Letters, 19(5), (2022). https://doi.org/10.15251/cl.2022.195.309
I. T. Witting, T. C. Chasapis, F. Ricci, M. Peters, N. A. Heinz, G. Hautier, and G. J. Snyder, ”The thermoelectric properties of bismuth telluride,” Advanced Electronic Materials, 5(6), 1800904 (2019). https://doi.org/10.1002/aelm.201800904
M. Benaadad, A. Nafidi, S. Melkoud, M. S. Khan, and D. Soubane, ”First-principles investigations of structural, optoelectronic and thermoelectric properties of Cu-based chalcogenides compounds,” Journal of Materials Science, 56(28), 15882-15897 (2021). https://doi.org/10.1007/s10853-021-06325-y
X. Jiang, C. Ban, L. Li, C. Wang, W. Chen, and X. Liu, ”Thermoelectric properties study on the BN nanoribbons via boltztrap first-principles,” AIP Advances, 11(5), 055120 (2021). https://doi.org/10.1063/5.0042555
R. Chegel, ”Enhanced electrical conductivity in graphene and boron nitride nanoribbons in large electric fields,” Physica B: Condensed Matter, 531, 206-212 (2018). https://doi.org/10.1016/j.physb.2017.12.053
J. Androulakis, Y. Lee, I. Todorov, D.-Y. Chung, and M. Kanatzidis, ”High-temperature thermoelectric properties of n-type pbse doped with Ga, In, and Pb,” Physical Review B—Condensed Matter and Materials Physics, 83(19), 195209 (2011). https://doi.org/10.1103/physrevb.83.195209
J.Wang, L. P. Zhang, andY. Li, ”Preparation and analysis of novel thermoelectric material (SrxCa1−x)3Co4O9,” Applied Mechanics and Materials, 492, 326-330 (2014). https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/amm.492.326
X. Tan, H. Shao, T. Hu, G. Liu, J. Jiang, and H. Jiang, ”High thermoelectric performance in two-dimensional graphyne sheets predicted by first-principles calculations,” Physical Chemistry Chemical Physics, 17(35), 22872-22881 (2015). https://doi.org/10.1039/c5cp03466c
Z.-X. Xie, L.-M. Tang, C.-N. Pan, Q. Chen, and K.-Q. Chen, ”Ballistic thermoelectric properties in boron nitride nanoribbons,” Journal of Applied Physics, 114(14), 144311 (2013). https://doi.org/10.1063/1.4824750
J. J. Plata, P.Nath, D. Usanmaz, J. Carrete, C. Toher, M. de Jong, M. Asta, et al., ”An efficient and accurate framework for calculating lattice thermal conductivity of solids: Aflow—aapl automatic anharmonic phonon library,” npj Computational Materials, 3(1), 45 (2017). https://doi.org/10.1038/s41524-017-0046-7
Y.-Y.Wu, Q.Wei, J. Zou, and H. Yang, ”Ultra-low thermal conductivity and high thermoelectric performance of monolayer BiP 3: a first principles study,” Physical Chemistry Chemical Physics, 23(35), 19834–19840 (2021). https://doi.org/10.1039/d1cp01383a
M. Markov, Prediction of thermal conductivity and strategies for heat transport reduction in bismuth: an ab initio study., Ph.D. thesis, Universit’e Paris Saclay (COmUE) (2016).
M. Wang, and D. Han, ”Thermal properties of 2D dirac materials MN4 (M= Be and Mg): a first-principles study,” ACS omega, 7(12), 10812-10819 (2022). https://doi.org/10.1021/acsomega.2c00785
Y. Luo, X. Yang, T. Feng, J.Wang, and X. Ruan, ”Vibrational hierarchy leads to dual-phonon transport in low thermal conductivity crystals,” Nature communications, 11(1), 2554 (2020). https://doi.org/10.1038/s41467-020-16371-w
A. Togo, ”First-principles phonon calculations with phonopy and phono3py,” Journal of the Physical Society of Japan, 92(1), 012001 (2023). https://doi.org/10.7566/jpsj.92.012001
Авторське право (c) 2026 Ядгар Хуссейн Шван, Маджида Алi Амiн, Арас Саїд Махмуд
Цю роботу ліцензовано за Міжнародня ліцензія Creative Commons Attribution 4.0.
Автори, які публікуються у цьому журналі, погоджуються з наступними умовами:
- Автори залишають за собою право на авторство своєї роботи та передають журналу право першої публікації цієї роботи на умовах ліцензії Creative Commons Attribution License, котра дозволяє іншим особам вільно розповсюджувати опубліковану роботу з обов'язковим посиланням на авторів оригінальної роботи та першу публікацію роботи у цьому журналі.
- Автори мають право укладати самостійні додаткові угоди щодо неексклюзивного розповсюдження роботи у тому вигляді, в якому вона була опублікована цим журналом (наприклад, розміщувати роботу в електронному сховищі установи або публікувати у складі монографії), за умови збереження посилання на першу публікацію роботи у цьому журналі.
- Політика журналу дозволяє і заохочує розміщення авторами в мережі Інтернет (наприклад, у сховищах установ або на особистих веб-сайтах) рукопису роботи, як до подання цього рукопису до редакції, так і під час його редакційного опрацювання, оскільки це сприяє виникненню продуктивної наукової дискусії та позитивно позначається на оперативності та динаміці цитування опублікованої роботи (див. The Effect of Open Access).
