單層BC3吸附性質(zhì)的研究

史力斌，陳虹冰

（渤海大學 物理科學與技術(shù)學院，遼寧 錦州121013）

0 引言

2004年，Andre Geim和Konstantin Novoselov通過機械分離法得到了石墨烯，這一發(fā)現(xiàn)引起了二維材料研究領(lǐng)域的快速發(fā)展［1］.但是，石墨烯是零帶隙的材料，它在電子學中的應用存在很大的限制［2］.因此，人們希望通過摻雜獲得性質(zhì)更好的二維半導體［3］.2005年，Tanaka H等人在NbB2（0001）表面的石墨烯中摻雜硼原子成功制備出了單層BC3［4］.在單層BC3原胞中，包含兩個B原子與六個C原子.在超胞構(gòu)型中，B原子與三個C原子構(gòu)成的六角環(huán)相連.單層BC3作為新型的半導體材料，引起了眾多科學家的研究興趣.到目前為止，它的許多性質(zhì)已經(jīng)被掌握，大量的研究成果被發(fā)表［5-7］.現(xiàn)如今，人們對單層BC3的合成、摻雜、能帶結(jié)構(gòu)、晶格結(jié)構(gòu)、界面效應、光電特性等一系列物理化學效應的研究已日趨完善，但它的吸附性質(zhì)仍有待完善.唐亞楠等人研究了在單層BC3超胞上吸附不同分子對材料性質(zhì)的影響［8］，而本文通過在單層BC3超胞表面吸附原子，探究了對其結(jié)構(gòu)及性質(zhì)的影響，豐富了這一領(lǐng)域的研究內(nèi)容.在實際應用中，通過吸附單原子來改變體系的帶隙對于設計出新型傳感器將具有很大的意義.

1 計算方法和模型

計算時使用了基于DFT（密度泛函理論）的第一性原理軟件包VASP（Vienna Ab-Initio Simulation Package）［9-10］.采用PAW贗勢描述離子實和電子間相互作用［11］，能量交換關(guān)聯(lián)能函數(shù)采用PBE形式中的廣義梯度近似（GGA）［12］.經(jīng)過截斷能與K點測試，晶胞結(jié)構(gòu)優(yōu)化時第一布里淵區(qū)的K點取6×6×1，平面波截斷能為900 eV.為了驗證所用方法的有效性，首先計算并得到單層BC3原胞的B-C和C-C鍵長分別為1.567?和1.42?，與實驗結(jié)果一致［4］，間接帶隙為0.66 eV，這與林現(xiàn)慶等人的計算結(jié)果相近［13］，說明本文所采用的計算方法對該體系是合適的.

計算單原子能量時，使用Materials Studio搭建真空層厚度為15?的原胞模型，用VASP軟件包進行晶格優(yōu)化，得到單原子的能量.吸附時，使用3×3×1的單層BC3超胞作為襯底材料.為了忽略Z方向上相鄰原子周期性結(jié)構(gòu)之間的相互作用，引入的吸附原子放在單層BC3超胞平面上大于5?的位置，固定吸附原子的X軸與Y軸坐標使其自然下落，經(jīng)幾何優(yōu)化后能量的誤差值不大于1×10-5eV，收斂精度（EDIFFG）取為-5×10-3eV/?.得到的數(shù)據(jù)結(jié)果用可視化軟件VESTA（Visualization for Electronic and Structural Analy‐sis）［14］進行分析.

2 結(jié)果與討論

圖1 為超胞后的單層BC3模型，共72個原子，其中左上角的虛線部分是原胞結(jié)構(gòu).將B-C鍵的中點位置命名為1號位；C-C鍵的中點位置為2號位；C原子位置為3號位；B原子位置為4號位；由B，C原子構(gòu)成的環(huán)狀結(jié)構(gòu)中心處為5號位；C環(huán)中心處為6號位.在6個不同的點位對H，Be，B，C，N，O這6種原子分別進行吸附，研究其吸附性質(zhì).

圖1 單層BC3超胞上的原子吸附點位

首先需要考慮的是原子能否穩(wěn)定吸附在單層BC3超胞平面上.吸附能的大小表征了吸附原子與襯底材料間吸附性能的強弱，吸附能越高表示該體系結(jié)構(gòu)越穩(wěn)定，通過比較不同結(jié)構(gòu)吸附能的大小就能判斷一定熱力學條件下結(jié)構(gòu)的相對穩(wěn)定性［15］.

對吸附能（Ead）的定義為［16］：EA為單層BC3超胞體系的能量，EB是吸附的原子能量，EAB是指原子吸附在單層BC3襯底上的總能量.根據(jù)公式定義，吸附能越大意味著吸附能力越強，相應吸附體系的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性越高［17］，如果為負值則說明吸附結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定.

我們引入吸附原子并進行結(jié)構(gòu)馳豫計算后，得到了各體系的吸附能，如表1所示.通過比較吸附能的正負以及大小來討論體系的吸附穩(wěn)定性.對比表1中的數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)：H，B，C，N，O這5種原子的吸附能為負值，說明在不加入外界條件的情況下很難自發(fā)吸附，而且N原子是其中最不易進行吸附的.吸附Be原子時，吸附能為正值，說明吸附時放出熱量，是可以自發(fā)進行穩(wěn)定吸附的.并且可以發(fā)現(xiàn)，這6個點位的吸附能相差不大.Be原子雖然可以穩(wěn)定吸附，但吸附能小于0.43 eV，因此可以認為是物理吸附［18］.因為Be原子的吸附結(jié)構(gòu)較為穩(wěn)定，所以在后面的計算中，只研究該吸附模型的相關(guān)性質(zhì).

表1 各體系吸附能eV

圖2 為Be原子各點位的吸附結(jié)構(gòu).可以發(fā)現(xiàn)3，4，5號位的吸附更加貼近襯底材料，具體數(shù)值如表2所示.為了進一步研究Be原子的吸附對襯底材料的影響，計算體系的能帶結(jié)構(gòu)，如圖3所示.

圖2 穩(wěn)定體系的吸附結(jié)構(gòu)

表2 吸附后Be原子與襯底材料的距離 ?

圖3 穩(wěn)定體系的能帶結(jié)構(gòu)

根據(jù)圖3可以發(fā)現(xiàn)，吸附Be原子后，體系為間接帶隙半導體；在1，2，6號位吸附，帶隙的改變值不大（小于0.2 eV）；而在3，4，5號位吸附，帶隙發(fā)生了較大的變化（大于0.47 eV），具體變化值如表3所示.吸附前后襯底帶隙值的變化是影響傳感器靈敏度的因素之一，而半導體材料帶隙與電導率之間有如下的關(guān)系［19］：

表3 吸附前后帶隙變化eV

其中，σ為材料電導率，kB為玻爾茲曼常數(shù)，T為溫度，Eg為帶隙值.因此，帶隙的改變值越大，所產(chǎn)生的電信號變化越明顯.所以在5號位吸附Be原子更有利于傳感器的應用.

3 結(jié)論

本文通過采用密度泛函理論的第一性原理計算，使用VASP軟件包研究了以單層BC3超胞為襯底，在6個不同點位分別吸附H，Be，B，C，N，O這六種不同原子時的吸附性質(zhì)，研究結(jié)果如下：

（1）單層BC3吸附Be原子時，體系相對是最穩(wěn)定的.

（2）單層BC3對Be原子的吸附為物理吸附.

（3）在單層BC3的3，4，5號位吸附Be原子可以引起明顯的導電率變化，因此有利于傳感器的應用.