表面氢化的双层氮化硼的结构和电子性质-物理学报.PDF

物理学报 Acta Phys. Sin. Vol. 63, No. 1 (2014) 016801 表面氢化的双层氮化硼的结构和电子性质 高潭华 吴顺情 张鹏 朱梓忠 1)(武夷学院机电工程学院, 武夷山 354300) 2)(厦门大学物理系, 厦门 361005) 3)(福建省理论与计算化学重点实验室, 厦门大学, 厦门 361005) ( 2013 年9 月4 日收到; 2013 年9 月29 日收到修改稿) 采用第一性原理方法研究了表面氢化的双层氮化硼的结构和电子性质. 考虑了表面氢化的双层BN 可能 存在的六种主要构型, 计算结果表明: AB-BN 和AA-BN 两种构型最为稳定. 进一步分析了氢化后的双层BN 最稳定构型的能带和电子性质. AB-BN 和AA-BN 两种构型的原子薄片均为直接带隙半导体, GGA 计算的带 隙值分别为1.47 eV 和1.32 eV. 因为GGA 通常严重低估带隙值, 采用hybrid 泛函计算得到带隙值分别为2.52 eV 和2.34 eV. 在最稳定的AB-BN 和AA-BN 两种构型中, B-N 键呈现共价键, 而B-H 和N-H 则具有明显的 离子键的特点. 在双轴应变下氢化双层BN 原子薄片可以被连续地调节带隙, 当晶格常数被压缩约8% 时, 原 子薄片由半导体性转变为金属性. 关键词: 氢化, 双层BN 原子薄片, 电子结构, 第一原理计算 PACS: 68.43.–h, 73.90.+f, 73.20.At, 71.15.Nc DOI: 10.7498/aps.63.016801 化学溶液衍生法, 在单晶六角BN (h-BN) 的基础 1 引 言 上成功制备了单层BN 片状结构材料. Meyer 等13 14 和Zhi 等 也成功制备并检测了单层或多层的 自从2004 年在实验上获得由单层碳原子构成 BN 晶体材料. 尽管BN 原子片与石墨烯有类似的 的石墨烯以来111 , 由于石墨烯的许多不同寻常 几何结构, 但是h-BN、单原子层薄片BN 以及双原 的特性, 一直被认为是很有前途的未来电子器件的 子层BN 都是宽带隙半导体, 禁带宽度在 4.3—4.6 基础材料. 但由于石墨烯是零带隙的半金属, 这成 eV 之间. BN 原子薄片在实验上的成功获得, 引领 为它在电子学中应用的主要障碍, 如何打开带隙成 科学家们进一步探索BN 原子薄片在表面修饰后 211 15 为大家广泛研究的课题 . 通对石墨烯进行氢 的性质: Zhou 等 采用第一性原理方法研究了氢 化或者氟化, 可以打开其带隙并获得具有有趣电子 化和氟化的单层BN, 发现了一些新奇的电子和磁 6 16 性质的新型二维材料: 石墨烷(graphane) 和氟化 学性质. 李金等 研究了单轴大应变下单层六角 8 9 氮化硼的结构变化. 谢剑锋等17 研究了应变对单 石墨烯(fluorographene) . 理论上, Zhang 等 研 究了双层石墨烯的表面氢化及其在外载下的结构