Novel MAB phases and insights into their exfoliation into 2D MBenes

材料科学 结晶学 三元运算 过渡金属 金属 化学 冶金 计算机科学 生物化学 催化作用 程序设计语言
作者
Mohammad Khazaei,Junjie Wang,Mehdi Estili,Ahmad Ranjbar,Shigeru Suehara,M. Arai,Keivan Esfarjani,Seiji Yunoki
出处
期刊:Nanoscale [Royal Society of Chemistry]
卷期号:11 (23): 11305-11314 被引量:150
标识
DOI:10.1039/c9nr01267b
摘要

Considering the recent breakthroughs in the synthesis of novel two-dimensional (2D) materials from layered bulk structures, ternary layered transition metal borides, known as MAB phases, have come under scrutiny as a means of obtaining novel 2D transition metal borides, so-called MBene. Here, based on a set of phonon calculations, we show the dynamic stability of many Al-containing MAB phases, MAlB (M = Ti, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W, Mn, Tc), M$_2$AlB$_2$ (Sc, Ti, Zr, Hf, V, Cr, Mo, W, Mn, Tc, Fe, Rh, Ni), M$_3$Al$_2$B$_2$ (M = Sc, T, Zr, Hf, Cr, Mn, Tc, Fe, Ru, Ni), M$_3$AlB$_4$ (M = Sc, Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W, Mn, Fe), and M$_4$AlB$_6$ (M = Sc, Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo). By comparing the formation energies of these MAB phases with those of their available competing binary M$-$B and M$-$Al, and ternary M$-$Al$-$B phases, we find that some of the Sc-, Ti-, V-, Cr-, Mo-, W-, Mn-, Tc-, and Fe-based MAB phases could be favorably synthesized in an appropriate experimental condition. In addition, by examining the strengths of various bonds in MAB phases via crystal orbital Hamilton population and spring constant calculations, we find that the B$-$B and then M$-$B bonds are stiffer than the M$-$Al and Al$-$B bonds. The different strength between these bonds implies the etching possibility of Al atoms from MAB phases, consequently forming various 2D MB, M$_2$B$_3$, and M$_3$B$_4$ MBenes. Furthermore, we employ the nudged elastic band method to investigate the possibility of the structural phase transformation of the 2D MB MBenes into graphene-like boron sheets sandwiched between transition metals and find that the energy barrier of the transformation is less than $0.4$ eV/atom.
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