Physical Adsorption of N-containing Heterocycles on Hexagonal Boron Nitride: DFT-D3 Study

Abstract

In this paper, the physical adsorption of five different N-containing organic heterocycle molecules and benzene on hexagonal boron nitride (h-BN) has been studied using dispersion-corrected density functional theory (DFT-D3). Adsorption energies (Ea) have been obtained for all studied molecules, and it has been shown that Ea for pyridazine is maximal one. Electronic properties of the molecule/h-BN complexes have also been obtained. DFT-D3 calculations show that all the studied molecules, except pyridazine, introduce only minor changes in the HOMO-LUMO gap of h-BN upon the physisorption. Thus, the physisorption of N-containing heterocycle molecules on the h-BN plane through noncovalent van der Waals interactions represents a simple method to add arbitrary functionality to h-BN, preserving its electronic properties undisturbed. Additionally, the comparison of Ea for the adsorption on graphene, h-BN and their hybrid structure has been made.

В настоящей работе была изучена физисорбция пяти различных азотсодержащих органических гетероциклических молекул и бензола на гексагональном нитриде бора (h-BN) с использованием дисперсионно-скорректированной теории функционала плотности (DFT-D3). Энергии адсорбции (Ea) были определены для всех изучаемых молекул, и было показано, что Ea для пиридазина является максимальной. Также получены электронные свойства комплексов молекула/h-BN. Расчеты методом DFT-D3 показывают, что все исследуемые молекулы, за исключением пиридазина, вводят лишь незначительные изменения в энергетический зазор ВЗМО-НСМО h-BN при физисорбции. Таким образом, физисорбция азотсодержащих молекул на плоскости h-BN посредствои нековалентных ван-дерваальсовых взаимодействий представляет собой простой способ для добавления произвольной функциональности к h-BN с сохранением их электронных свойств. Кроме того, было проведено сравнение величин Ea для адсорбции на графене, h-BN и их гибридной структуре.