Аннотация результатов, полученных в 2022 году
На первом этапе проекта были впервые предсказаны и исследованы атомные структуры и свойства новых материалов- алмазоподобных муаровых BNnƟ борнитранов формируемых из свернутых под различными Ɵ углами BN монослоев, включая борнитрановый квазикристалл. Проведенный расчет муаровых борнитранов на примерах BNn21.8 (Ɵ=21.8) и BNn27.8 с различной функционализацией BN бислоя с двух сторон: атомами водорода или фтора, а также с разных сторон (H/F янус), показал, что такие борнитраны являются новыми 2D полупроводниками с непрямой как у двухслойного листа MoS2 запрещенной зоной, существенно большей, чем у борнитранов на основе несвернутых бислоев. Это происходит за счет наличия напряженных B-N связей атомов в соседних слоях в силу особого строения муаровых борнитранов. Наличие большого количества узких пиков на плотности электронных состояний из-за большого числа неэквивалентных атомов в их сверхрешетке обеспечивает применимость муаровых нитранов в элементах резонансной нелинейной оптики и опто-электронных устройствах твистроники. Кроме того такие структуры интересны для изучения спиновой динамики локализованных экситонов, как это экспериментально наблюдается в MoS2 слоистых структурах, для использования в устройствах, основаных на спин-поляризованных оптических эффектах, а также в новых микро- и нано- УФ эмиттерах, подобно 3D нитридным материалам. Упругие характеристики несвернутых борнитранов BNnAB, BNnAA’ и муаровых борнитранов оказались сравнимы между собой, что несколько отличает их от механических свойств алмазоподобных пленок – муаровых диаманов сформированных при гидрировании свернутых графеновых слоев под углом вблизи 30°, что следует из проведенных нами в проекте исследований. В них показано, что для муаровых диаманов упругие константы имеют меньшие на 20-30% значения, чем соответствующие константы диамана Dn, а разрыв в плоскости муарового диамана происходит при больних приложенных напряжениях. Впервые проведенное исследование теплопроводности фторированных и гидрированных диаманов в зависимости от муарового угла обнаружило резкое уменьшение коэффициента тепловодности при увеличении Ɵ от 0° до 27.8° - эффект, связанный с увеличением рассеяния и ангармонизмом фононов за счет аморфотизации атомной структуры таких диаманов с увеличением неэквивалентных атомов в элементарной ячейке их сверхрешеток. Рассмотрены новые муаровые структуры - диамоны на основе скрученного под близким к 30° углом биграфена, с одной стороны функционализированные атомами фтора или водорода, а с другой - молекулярно связанные с подложкой из графена. Наличие неспаренных электронов на нефункционализированной поверхности муарового диамона приводит к появлению высоко спиновой поляризации в виде периодической спиновой сверхрешетки с муаровыми периодами. Такие особенности делает диамоны перспективными для применения в области устройств спинтронники. Двуслойные квазикристаллы – атомные структуры из двух одинаковых слоев гексагональной симметрии, повернутых на 30 градусов один относительно другого. 2D «Черепичная» схема проекции на плоскость подобной одноатомной структуры с симметрией12-го порядка впервые была предложена Стампфли в 1986 году. Она состоит из плотноупакованных треугольников и квадратов со сторонами одного и того же размера. Однако реально биграфеновый и диамановый квазикристалл – есть трехмерная структура из повернутых на 30о слоев хотя и одинаковых по атомному строению, но уже с симметрией 6-го порядка и удвоенного набора «черепиц», лежащих на плоскости лицевой или тыльной стороной. Это было отмечено нами при исследовании структуры диаманового (алмазоподобного) квазикристалла также 6-го порядка симметрии. В случае BNnQC квазикристалла из из двух двуатомных (BN) слоев гексагональной симметрии его «черепичная» схема усложняется –симметрия такого квазикристалла оказывается уже более низкого 3-го порядка, ранее не описанная для квазикристаллов. Набор типов «черепиц» увеличивается в связи с неодинаковостью расположения сетки атомов одинаковой формы «черепиц» - в них в может оказаться на одном и том же месте атом другого элемента (например, атом бора на месте атома азота, и наоборот). В проекте на основании исследуемого электронного спектра муарового борнитрана BNn29.4 - апроксимманта BNnQC квазикристалла был сделан вывод, что BNnQC является широкозонным квазикристаллическим полупроводником. В силу разнообразного атомного строения «черепиц» BNnQC можно рассматривать как квази-аморфный 2D квазикристалл, и поэтому он должен обладать ультрамалой теплопроводностью аналогично 2D муаровым диаманам с ~30о углом свертки бислоев. Таким образом, нами впервые предложен BNnQC и описана его 2D «черепичная» схема, которая может распространяться на другие двуатомные квазикристаллы из двух слоев гексагональной симметрии, например, GaN и AlN монослоев.

Аннотация результатов, полученных в 2023 году
Второй год работы был посвящен изучению диаманоподобных муаровых структур, состоящих из бислоев MN (где M=B,Al,Ga) и BN/графен. Муаровые бислои нитридов бора, алюминия или галия являются платформой для формирования кристаллических пленок. Аналогично углеродным диаманам, при функционализации поверхностей происходит образование межслоевых связей. Были изучены структура, электронные и упругие свойства таких энергетически стабильных диаманоподобных пленок Показано, что структуры муаровых нитранов на основе бислоев B,Al,Ga -нитридов гексагональной атомной структуры являются полупроводниками с непрямыми переходами на диэлектрических щелях с широким диапазоном из величин, а также с резонансными плотностями электронных состояний, что позволит их использовать в опто-электронных устройствах широкого оптического диапазона, включая ультрафиолетувую область спектра. Одна из особенностей структуры муаровых нитриданов M-Nnes (M = B, Al, Ga)- отсутствие центра инверсии, что является необходимым условием для наблюдения пьезоэлектрического эффекта. Вычисление пьезоэлектрических констант муаровых нитриданов и сравнение их с соответствующими константами как для несвернутых нитриданов, так и нитридных монослоев показало, что увеличенные значения пьезоконстант для ряда муаровых нитриданов, а также существование в их Янус пленках с H/F двусторонней адсорбцией не только констант продольного, но и значительного пьезоэлектрического отклика в направлении, нормальном к бислою. Пассивация муарового бислоя графен/нитрид бора также приводит к образованию диаманоподобного материала. В отличие от структур, состоящих из одинаковых монослоев, G/BN бислой даже в несвернутом состоянии образует узор Муара. Несоответствие решеток графена и нитрида бора приводит к совсем другому набору углов соразмерных структур. Из полученной зависимости количества атомов в расчетной ячейке от угла поворота слоев были выбраны наименьшие структуры, имеющие углы поворота 10.9° и 25.3°. Диаманоподобные структуры BN/G на основе этих бислоев энергетически стабильны. Фторирование энергетически более предпочтительно, чем гидрирование. Отрицательные значения энергии фторированных структур показывают более высокую вероятность их синтеза. Гидрированные и покрытые ОН группами – имеют энергетические минимумы и могут быть получены при определенных условиях. Структурная трансформация G/BN бислоя приводит к разрушению пи-системы графена, определяющей поведение зонной структуры вблизи уровня Ферми. G/BN структуры θ=25.3° - полупроводники с прямой запрещенной зоной в Г-точке. Гидрированные имеют Eg от 2.7 до 3.1 эВ, в зависимости от преимущественного типа межслоевых связей, фторированные – от 2.5 до 3.0 эВ, покрытые ОН группами - 2.9 эВ. Изменение угла исходного бислоя до 10.9° также сохраняет запрещенную зону, величина которой составляет от 2.5 до 3 эВ для всех типов покрытий. Электронные зонные структуры содержат минизоны около уровня Ферми, что может приводить к необычным явлениям в электрическом поле, аналогично бислойному графену с магическими углами. Упругие характеристики покрытых водородом и ОН группами структур практически не отличаются друг от друга, фторирование приводит к уменьшению константы с11 и модуля Юнга, однако с12 и коэффициент Пуассона в 2 раза выше.