Boornitride (BN) is een veelzijdig materiaal met toepassingen op verschillende technische en wetenschappelijke gebieden. Dit is grotendeels te danken aan een interessante eigenschap van BN genaamd "polymorfisme", gekenmerkt door het vermogen om te kristalliseren tot meer dan één type structuur. Dit gebeurt meestal als reactie op veranderingen in temperatuur, druk of beide. Bovendien verschillen de verschillende structuren, "polymorfen" genoemd, opmerkelijk in hun fysieke eigenschappen, ondanks dat ze dezelfde chemische formule hebben. Als gevolg hiervan spelen polymorfen een belangrijke rol bij het ontwerpen van materialen, en kennis van hoe selectief de vorming van de gewenste polymorf kan worden bevorderd, is in dit opzicht cruciaal.

BN-polymorfen vormen echter een bijzonder probleem. Ondanks het uitvoeren van verschillende experimenten om de relatieve stabiliteit van BN-polymorfen te beoordelen, is er geen consensus over dit onderwerp ontstaan. Hoewel computationele methoden vaak de beste aanpak zijn voor deze problemen, hebben BN-polymorfen serieuze uitdagingen opgeleverd voor standaard rekentechnieken vanwege de zwakke "van der Waals (vdW) -interacties" tussen hun lagen, waarmee in deze berekeningen geen rekening wordt gehouden. Bovendien manifesteren de vier stabiele BN-polymorfen, namelijk rhomboëdrische (rBN), hexagonaal (hBN), wurtziet (wBN) en zink-blende (cBN), zich binnen een smal energiebereik, waardoor het vastleggen van kleine energieverschillen samen met vdW-interacties mogelijk is. nog uitdagender.

Een internationaal onderzoeksteam onder leiding van universitair docent Kousuke Nakano van het Japan Advanced Institute of Science and Technology (JAIST) heeft nu bewijs geleverd om het debat te beslechten. In hun onderzoek hebben ze het probleem aangepakt met een state-of-the-art first principles-berekeningsraamwerk, namelijk fixed-node diffusion Monte Carlo (FNDMC)-simulaties. FNDMC vertegenwoordigt een stap in de populaire kwantum Monte Carlo-simulatiemethode, waarin een geparametriseerde veel-lichaamsquantum "golffunctie" eerst wordt geoptimaliseerd om de grondtoestand te bereiken en vervolgens wordt geleverd aan de FNDMC.

Daarnaast heeft het team ook de Gibbs-energie (het nuttige werk dat kan worden verkregen uit een systeem bij constante druk en temperatuur) van BN-polymorfen voor verschillende temperaturen en drukken berekend met behulp van dichtheidsfunctionaaltheorie (DFT) en fonon-berekeningen. Dit artikel is online beschikbaar gesteld op 24 maart 2022, gepubliceerd in The Journal of Physical Chemistry C .

Volgens de FNDMC-resultaten was hBN de meest stabiele structuur, gevolgd door rBN, cBN en wBN. Deze resultaten waren consistent bij zowel 0 K als 300 K (kamertemperatuur). De DFT-schattingen leverden echter tegenstrijdige resultaten op voor twee verschillende benaderingen. Dr. Nakano legt deze tegenstrijdige bevindingen uit:"Onze resultaten laten zien dat de schatting van relatieve stabiliteiten sterk wordt beïnvloed door de correlatiefunctie voor de uitwisseling, of de benadering die wordt gebruikt in de DFT-berekening. Als gevolg hiervan kan er geen kwantitatieve conclusie worden getrokken met behulp van DFT-bevindingen, en een nauwkeurigere aanpak, zoals FNDMC, is vereist."

Met name waren de FNDMC-resultaten in overeenstemming met die gegenereerd door andere verfijnde berekeningsmethoden, zoals "gekoppelde cluster", wat suggereert dat FNDMC een effectief hulpmiddel is voor het omgaan met polymorfen, vooral die welke worden beheerst door vdW-krachten. Het team toonde ook aan dat het andere belangrijke informatie kan leveren, zoals betrouwbare referentie-energieën, wanneer experimentele gegevens niet beschikbaar zijn.

Dr. Nakano is enthousiast over de toekomstperspectieven van de methode op het gebied van materiaalkunde. "Onze studie toont het vermogen van FNDMC aan om kleine energieveranderingen te detecteren waarbij vdW-krachten betrokken zijn, wat het gebruik van deze methode voor andere van der Waals-materialen zal stimuleren", zegt hij. "Bovendien kunnen moleculaire simulaties op basis van deze nauwkeurige en betrouwbare methode materiaalontwerpen mogelijk maken, waardoor de ontwikkeling van medicijnen en katalysatoren mogelijk wordt." + Verder verkennen

De nauwkeurigheid van atoomkrachtberekeningen vergroten met de space-warp-coördinaattransformatie