グラファイトと六角形のホウ素ニトリドは、なぜ同じ層層距離を持っていますか？

グラファイトと六角形の窒化ホウ素（H-BN）は、六角形の格子構造を備えた層状材料のファミリーの2人の著名なメンバーです。グラファイトには非極性同性核C-C内結合がありますが、H-BNは非常に極性のB-N結合を提示し、2つの材料の異なる最適なスタッキングモードをバルク形式で提示します。さらに、構成原子の静的偏光は互いにかなり異なり、層間結合の分散成分の大きな違いを示唆しています。これらの大きな違いにもかかわらず、両方の材料は実質的に同一の層間距離を示しています。この発見を理解するために、両方の材料における層間結合の性質に関する比較研究が提示されています。H-BNの部分的に帯電した原子中心間の相互作用の完全な格子合計は、中間層結合エネルギーへの陥落的な寄与をもたらします。高次の静電マルチポール、交換、および短距離相関コーンシャムの寄与は、両方の材料で非常に類似しており、物理的に関連する層間層におけるパウリの反発の効果を部分的に表す運動エネルギー項によってほぼ完全にキャンセルすることがわかっています。距離は、層間結合にわずかな効果的な寄与をもたらします。分散エネルギー項のさらなる分析により、個々の原子偏光の大きな違いにもかかわらず、ヘテロ原子B-N C6係数は、六角形のバルク形態の同性学C-C係数と非常に類似しており、インターレイヤーバインディングに非常に類似した分配的寄与をもたらすことが明らかになりました。したがって、両方の材料の全体的な結合エネルギー曲線は非常に類似しており、実質的に同じ層間距離と非常に類似した結合エネルギーを予測しています。H-BNの層間結合のために部分的に帯電した原子中心間の静電相互作用の役割に関して描かれた結論は、一般的な性質であり、他の多くの極性層システムに当てはまると予想されます。

Graphite and hexagonal boron nitride (h-BN) are two prominent members of the family of layered materials possessing a hexagonal lattice structure. While graphite has nonpolar homonuclear C-C intralayer bonds, h-BN presents highly polar B-N bonds resulting in different optimal stacking modes of the two materials in the bulk form. Furthermore, the static polarizabilities of the constituent atoms considerably differ from each other, suggesting large differences in the dispersive component of the interlayer bonding. Despite these major differences, both materials present practically identical interlayer distances. To understand this finding, a comparative study of the nature of the interlayer bonding in both materials is presented. A full lattice sum of the interactions between the partially charged atomic centers in h-BN results in vanishingly small contributions to the interlayer binding energy. Higher order electrostatic multipoles, exchange, and short-range correlation Kohn-Sham contributions are found to be very similar in both materials and to almost completely cancel out by the kinetic energy term, which partly represents the effects of Pauli repulsions, at physically relevant interlayer distances, resulting in a marginal effective contribution to the interlayer binding. Further analysis of the dispersive energy term reveals that despite the large differences in the individual atomic polarizabilities, the heteroatomic B-N C6 coefficient is very similar to the homoatomic C-C coefficient in the hexagonal bulk form, resulting in very similar dispersive contribution to the interlayer binding. The overall binding energy curves of both materials are thus very similar, predicting practically the same interlayer distance and very similar binding energies. The conclusions drawn here regarding the role of electrostatic interactions between partially charged atomic centers for the interlayer binding of h-BN are of a general nature and are expected to hold true for many other polar layered systems.