二維BC2N材料的第一性原理研究.pdf

1、二維材料由于尺寸受限效應，表現(xiàn)出很多不同于傳統(tǒng)的三維體材料的優(yōu)異的電學、光學、力學等性能，在晶體管、傳感器和能源存儲等領域有潛在的應用。石墨烯和二維六方氮化硼是兩種研究最廣泛的二維材料，二者結構非常相似，但性質尤其是電學特性相差甚遠。石墨烯具有極高的電子遷移率和優(yōu)良的導電性，但帶隙為零，限制了其在電子器件方面的應用。六方氮化硼具有良好的熱穩(wěn)定性和化學穩(wěn)定性，但帶隙太大，在實際應用中不方便調(diào)制。新型二維硼碳氮材料結合了兩者優(yōu)異的性能，性質

2、介于兩者之間，可以更好地應用于納米光電器件等領域。
　　本文通過基于密度泛函理論的第一性原理方法，計算研究了16種不同結構單層BC2N的結構穩(wěn)定性、電子結構、光學和彈性性質，同時還探討了應力和空位缺陷對單層BC2N電子結構的影響，為二維BC2N材料的實驗探究和潛在應用提供可靠的理論依據(jù)。
　　通過對16種單層BC2N的結構進行計算，我們研究了單層BC2N的結構穩(wěn)定性與原子排布、所含化學鍵的種類及數(shù)目的關系。結果表明，含有C-

3、C鍵和B-N鍵最多的單層BC2N結構最穩(wěn)定，而含有N-N鍵和B-B鍵較多的結構穩(wěn)定性較差。對BC2N的電子性質及其影響因素進行了計算研究，結果表明：除對稱性最高的結構A顯示半金屬性外，其他BC2N結構均為半導體，且?guī)兜拇笮『托再|不同，說明原子排布對BC2N的電子性質有很大的影響。BC2N為sp2雜化，體現(xiàn)較強的共價鍵特性。通過改變外部應力研究應力對單層BC2N的電子性質的影響，發(fā)現(xiàn)應力可以有效調(diào)制單層BC2N的帶隙大小，且不改變帶隙的

4、直接或者間接特性。通過研究四種不同的單空位缺陷對最穩(wěn)定的單層BC2N的結構和電子性質的影響，我們發(fā)現(xiàn)空位缺陷的引入將導致體系帶隙降低。
　　基于復介電函數(shù)，我們分別計算了二維BC2N材料的吸收率、反射率、復折射率、復光電導率和損失函數(shù)等光學性質。結合BC2N四種結構的電子結構，我們發(fā)現(xiàn)介電函數(shù)虛部峰主要是由C-2p與B-2p軌道的電子占據(jù)態(tài)到非占據(jù)態(tài)的帶間躍遷引起的。介電常數(shù)的結果顯示，由于材料維度的降低，電子躍遷引起的電子-空穴

5、作用導致了激子的形成。研究BC2N的吸收光譜、折射率及能量損失譜發(fā)現(xiàn)，BC2N在紫外光波段有較高的吸收系數(shù)、折射率和較強的能量損失峰。反射率和復光電導率的計算結果表明，BC2N的反射率較低，光電導率的實部在能量較低的可見光區(qū)和能量較高的紫外光區(qū)內(nèi)趨于零。
　　通過計算 BC2N的二維彈性常數(shù)、彈性模量和泊松比，結果發(fā)現(xiàn)，BC2N多數(shù)構型的彈性模量介于石墨烯和六角氮化硼之間，因此得到了與預期一致的介于石墨烯和六角氮化硼之間的力學性能