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?【純計算】Surf. Interfaces：用取代摻雜和雙軸應(yīng)變調(diào)控單層鉛烯的電子性質(zhì)和功函數(shù)

二維材料具有獨特的電子和物理性質(zhì)，使其在納米電子學(xué)和光電子應(yīng)用中具有巨大潛力。在此，印度理工學(xué)院Rakesh Kumar等人使用第一性原理計算研究了二維材料鉛烯的電子性質(zhì)，并研究了元素周期表中13-15族原子的取代摻雜和雙軸應(yīng)變對鉛烯電子性質(zhì)和功函數(shù)的影響。

計算方法

基于密度泛函理論（DFT），作者使用維也納從頭算模擬包（VASP）進行電子結(jié)構(gòu)計算，并使用含有Perdew–Burke–Ernzerhof（PBE）泛函的廣義梯度近似（GGA）來描述電子關(guān)聯(lián)相互作用。在晶體結(jié)構(gòu)優(yōu)化過程中，作者將每個原子上力的收斂標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置為0.0001eV/?。對于能帶結(jié)構(gòu)的計算，作者使用了16 × 16 × 1的 K點網(wǎng)格，并將截止能量設(shè)置為150 eV。此外，對于態(tài)密度（DOS）的計算，作者使用了20×20×1的稠密K點網(wǎng)格，并且采用20?的真空層來屏蔽層間相互作用。

結(jié)果與討論

圖1 鉛烯的模型結(jié)構(gòu)、電荷密度圖、能帶結(jié)構(gòu)和態(tài)密度

如圖1a所示，鉛烯具有彎曲的六邊形晶格結(jié)構(gòu)，相應(yīng)的晶格常數(shù)、屈曲高度和Pb-Pb鍵長分別為4.928?、0.920?和2.990?。如圖1b所示，鉛烯具有均勻且連續(xù)的電荷密度分布，并且能帶結(jié)構(gòu)（圖1c）表明鉛烯在K點具有零帶隙和狄拉克錐。此外，作者計算了總態(tài)密度和部分態(tài)密度（TDOS/PDOS）（圖1d），其中鉛烯的6p軌道在費米能級貢獻最大。作者還研究了自旋-軌道耦合（SOC）的影響，并且由于自旋-軌道相互作用產(chǎn)生了0.4 eV的帶隙（圖1e）。

圖2 B摻雜鉛烯的模型結(jié)構(gòu)、電荷密度圖、能帶結(jié)構(gòu)和態(tài)密度

如圖2所示，B摻雜鉛烯的電荷密度圖顯示了硼（B）位點周圍的電荷積累（圖2b）。相對于原始鉛烯，費米能級向價帶邊緣移動（圖2c），這表明鉛烯為p型摻雜。而與原始鉛烯相比，費米能級的DOS增加（圖2d）。即B的引入打破了原始鉛烯的晶格對稱性，并導(dǎo)致K點能帶分裂。此外，作者還進行了自旋極化計算，以研究B摻雜鉛烯的磁性行為，而B原子在鉛烯中的摻雜不會引起任何磁矩，這表明摻雜的鉛烯具有非磁性行為。作者還研究了硼摻雜鉛烯中的SOC相互作用，即使在包含SOC之后，它也顯示出金屬性質(zhì)（圖2e）。

圖3 C摻雜鉛烯的模型結(jié)構(gòu)、電荷密度圖、能帶結(jié)構(gòu)和態(tài)密度

C摻雜鉛烯的晶體結(jié)構(gòu)和電子能帶結(jié)構(gòu)與原始鉛烯類似（圖3），即C摻雜鉛烯的電子能帶結(jié)構(gòu)存在狄拉克錐，并且與原始鉛烯相比，費米能級進一步向更低的能量移動（圖3c）。此外，與原始鉛烯相比，費米能級的DOS略有增加（圖3d）。而在包括SOC時的C摻雜鉛烯中，作者觀察到了0.29eV的帶隙（圖3e）。

圖4 N摻雜鉛烯的模型結(jié)構(gòu)、電荷密度圖、能帶結(jié)構(gòu)和態(tài)密度

圖4顯示了N摻雜鉛烯的能帶結(jié)構(gòu)、態(tài)密度（DOS）和電荷密度圖。與原始鉛烯相比，電子能帶結(jié)構(gòu)（圖4c）顯示費米能級向?qū)н吘壱苿?，這表明其為n型摻雜。在N摻雜鉛烯的情況下，狄拉克錐在K點消失。與原始鉛烯相比，費米能級的DOS值增加（圖4d）。此外，即使在包含SOC之后，N摻雜鉛烯也呈現(xiàn)金屬特性（圖4e）。

圖5 硼、碳和氮摻雜鉛烯的電子能帶結(jié)構(gòu)

對摻雜鉛烯施加2%、4%和6%的雙軸應(yīng)變（圖5）時，摻雜有第14族原子的鉛烯在費米能級態(tài)密度（DOS）增加，而摻雜有第13族和第15族原子的鉛烯態(tài)密度降低。此外，功函數(shù)隨著拉伸應(yīng)變的增加而單調(diào)增加。

圖6 硼、碳和氮摻雜鉛烯的應(yīng)變-能量曲線

如圖6所示，連續(xù)的應(yīng)變-能量曲線表明施加的應(yīng)變落在彈性范圍內(nèi)，并且施加雙軸應(yīng)變不會破壞六邊形對稱性。此外，應(yīng)力-能量曲線顯示出平滑和連續(xù)的單調(diào)性，并且沒有任何不連續(xù)性。

總結(jié)展望

計算結(jié)果表明，取代摻雜和雙軸應(yīng)變可以顯著調(diào)控單層鉛烯的電子性質(zhì)和功函數(shù)。作者通過取代摻雜和雙軸應(yīng)變研究發(fā)現(xiàn)，鉛烯的功函數(shù)在3.80-4.14eV的范圍內(nèi)變化，這種電子性質(zhì)的可調(diào)諧性表明了鉛烯在光電器件中極具應(yīng)用潛力。

文獻信息

Prarena Jamwal et.al Tailoring electronic properties and work function of monolayer plumbene by substitutional doping and biaxial strain Surfaces and Interfaces，2023

https://doi.org/10.1016/j.surfin.2023.103294

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