含缺陷二維h-BN的第一性原理研究.pdf

1、實(shí)驗(yàn)上成功制備出二維六角氮化硼（hexagonal boron nitride, h-BN)以來，大量的研究工作開始聚焦在這種新型的低維納米材料上。二維h-BN備受人們的關(guān)注，這不僅僅是因?yàn)樗哂袠O好的化學(xué)穩(wěn)定性、優(yōu)異的力學(xué)性能、較高的熔點(diǎn)和寬帶隙等性質(zhì)，更重要的還因?yàn)樗哂信c石墨烯類似的二維結(jié)構(gòu)。純的二維h-BN是一種無磁性的納米材料，并且它的能帶帶隙很寬，難以應(yīng)用于電子學(xué)領(lǐng)域。眾所周知，缺陷的存在是非常有效的改變材料電子和磁矩性質(zhì)的

2、方法。常見的缺陷類型主要有原子摻雜、原子的置換和原子的空位。
　　本文采用基于密度泛函理論的第一性原理計(jì)算方法首先研究了各種空位缺陷對(duì)二維h-BN的幾何結(jié)構(gòu)、電子結(jié)構(gòu)和磁矩性質(zhì)的影響。通過對(duì)各空位缺陷體系自旋極化的計(jì)算，我們發(fā)現(xiàn)單個(gè)B原子空位(VB)或單個(gè)N原子空位(VN)都能使得二維h-BN發(fā)生自旋極化，并產(chǎn)生一定的磁矩。但是單個(gè)B-N鍵的空位缺陷體系(V B+N)仍然是自旋非極化的。在VB體系中，與空穴最鄰近的三個(gè)N原子的自旋

3、取向不完全一致，它們分別具有0.700μB、0.701μB和-0.538μB的磁矩。電子結(jié)構(gòu)的計(jì)算結(jié)果顯示，在VB體系的費(fèi)米能級(jí)位置沒有任何的能級(jí)出現(xiàn)，VB結(jié)構(gòu)仍然表現(xiàn)出半導(dǎo)體性質(zhì)。
　　我們還研究了3d過渡金屬(TM)原子吸附或嵌入摻雜VB、VN和VB+N體系時(shí)，其幾何結(jié)構(gòu)、電子結(jié)構(gòu)和磁矩分布等性質(zhì)。計(jì)算結(jié)果顯示，除了Mn原子吸附在V B+N體系上方的結(jié)構(gòu)外，大多數(shù)的吸附摻雜結(jié)構(gòu)都要比相應(yīng)嵌入摻雜結(jié)構(gòu)更穩(wěn)定，并且這些穩(wěn)定的摻雜體

4、系能夠表現(xiàn)出很多奇特的性質(zhì)。例如，計(jì)算結(jié)果顯示二維 h-BN的能帶帶隙和磁矩大小可以通過不同TM原子的吸附摻雜來進(jìn)行調(diào)節(jié)。當(dāng)Mn或N i原子吸附在V B上方時(shí)，二維h-BN轉(zhuǎn)變成為一種半金屬材料，并且摻雜體系費(fèi)米能級(jí)處的電子自旋極化率達(dá)到了100％，預(yù)計(jì)這種復(fù)合材料在電子自旋器件方面會(huì)具有非常重要的應(yīng)用。Fe原子吸附在VB上方時(shí)，使得體系變成了一種具有磁矩5.0μB的窄帶隙半導(dǎo)體。當(dāng)Co原子吸附在VB和VN上方時(shí)，體系是無磁性的，但是吸