新型二維SiO2結(jié)構(gòu)及面內(nèi)應(yīng)變對(duì)其光電性質(zhì)影響的第一性原理研究

劉雪婷，劉禹成，趙子昂，王丹丹*，張 勇*，馮 明*

（1. 吉林師范大學(xué) 物理學(xué)院，吉林 四平 136000；2. 吉林師范大學(xué) 功能材料物理與化學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，吉林 長(zhǎng)春 130022）

1 引 言

二氧化硅（SiO2）由于熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性高、介電性能和絕緣性能優(yōu)異、耐蝕性好、易制備等優(yōu)點(diǎn)，在許多現(xiàn)代技術(shù)和應(yīng)用中發(fā)揮著關(guān)鍵作用，比如作為集成電路中的絕緣層、金屬或金屬氧化物納米顆粒催化劑的載體、玻璃的主要組分、防腐蝕保護(hù)膜等[1-4]。一般地，SiO2以三維晶體結(jié)構(gòu)或無(wú)定形結(jié)構(gòu)存在，尤其是其復(fù)雜的三維網(wǎng)格無(wú)定形結(jié)構(gòu)，不利于通過(guò)表面分析技術(shù)進(jìn)一步研究其表界面結(jié)構(gòu)和性能的關(guān)系[5-6]。另外，隨著技術(shù)的快速發(fā)展，比如新一代的高密度存儲(chǔ)器（RAM）以及場(chǎng)效應(yīng)晶體管（MOSFET）等，都需要大幅減小SiO2層的厚度、并提高其表面平整度，因此，二維（2D）結(jié)構(gòu)SiO2的研發(fā)引起了研究人員的廣泛興趣[7-8]。

自2004 年Novoselov 和Geim 等獲得單層石墨烯之后，大量的二維材料被成功制備[9-16]。受此啟發(fā)，許多SiO2納米片已被成功開(kāi)發(fā)[17-19]。然而，目前主要通過(guò)模板法制備的2D SiO2存在尺寸、形狀和厚度不受控制的問(wèn)題，因此需要對(duì)制備SiO2的前驅(qū)體進(jìn)行研究，為獲得可控厚度和尺寸的2D SiO2提供方向。另一方面，2D SiO2的原子結(jié)構(gòu)尚不清楚，據(jù)報(bào)道，2D SiO2有多種晶型，和三維SiO2一樣它的基本結(jié)構(gòu)單元也是[SiO4]四面體，中心Si原子被四面體頂角處的4 個(gè)O 原子包圍，但是[SiO4]四面體以何種形式連接組成2D SiO2結(jié)構(gòu)還需深入研究[20]?；谏鲜鰡?wèn)題，本文受通過(guò)侵蝕MAX 相來(lái)制備MXene 的方法（例如利用HF 水溶液侵蝕Ti3AlC2，可選擇性地清除Al 原子，而留下2D Ti3C2層）啟發(fā)[21-22]，從理論層面考慮可以利用類似的方法對(duì)層狀前驅(qū)體CaAl2Si2O8進(jìn)行化學(xué)侵蝕處理，選擇性地清除前驅(qū)體結(jié)構(gòu)中的Ca 和Al 原子，最后獲得形狀和厚度規(guī)則的2D SiO2。

本文采用第一性原理計(jì)算方法，對(duì)直接通過(guò)CaAl2Si2O8獲得的2D SiO2的結(jié)構(gòu)、熱力學(xué)穩(wěn)定性和動(dòng)力學(xué)穩(wěn)定性、電子和光學(xué)性質(zhì)進(jìn)行研究。并且考慮到在實(shí)際應(yīng)用中，2D SiO2常與其他材料通過(guò)界面物理或化學(xué)作用結(jié)合，理論上由于材料間的晶格失配，2D SiO2將受到應(yīng)變的影響，因此研究應(yīng)變對(duì)2D SiO2電子及光學(xué)性質(zhì)的影響，對(duì)研究其潛在應(yīng)用十分必要。本文將進(jìn)一步研究面內(nèi)應(yīng)變對(duì)2D SiO2電子、光學(xué)性質(zhì)的影響。

2 計(jì)算方法

第一性原理計(jì)算采用材料模擬計(jì)算軟件VASP，對(duì)2D SiO2的結(jié)構(gòu)、電子和光學(xué)性質(zhì)及其受應(yīng)變的影響進(jìn)行模擬。在構(gòu)建單層2D SiO2結(jié)構(gòu)時(shí)，為消除贗胞的層間相互作用，在垂直2D SiO2面方向設(shè)置厚度為1.5 nm 的真空層。在具體的計(jì)算過(guò)程中，電子間的交換關(guān)聯(lián)能采用的是廣義梯 度 近 似（Generalized gradient approximation，GGA）下的投影綴加波贗勢(shì)（Perdew?Burke?Ernzer?hof，PBE）[23-25]，O 原 子的2s22p4、Si 原 子 的3s23p2電子被作為價(jià)電子。截?cái)嗄蹺cut被設(shè)置為400 eV，優(yōu)化2D SiO2原胞結(jié)構(gòu)時(shí)，布里淵區(qū)K 點(diǎn)網(wǎng)格設(shè)置為8×8×1，設(shè)置的能量和原子受力收斂精度分別為1×10-4eV 和0.1 eV/nm。另外，計(jì)算電子態(tài)密度時(shí)需采用更密的K 點(diǎn)，因此計(jì)算態(tài)密度時(shí)我們將K-point 設(shè)置為10×10×1。進(jìn)行第一性原理分子動(dòng)力學(xué)模擬（AIMD）計(jì)算和聲子譜計(jì)算時(shí)，采用（3×3）的2D SiO2超胞（包含72 個(gè)O 原子和36 個(gè)Si原子）。一定溫度下的AIMD 采用NVT 系綜，AIMD 計(jì)算的時(shí)間設(shè)置為10 ps，時(shí)間步長(zhǎng)為1.0 fs，溫度控制采用Nose??Hoover 方法[26-27]。聲子譜計(jì)算采用密度泛函微擾理論（DFPT）[28-29]，并結(jié)合phonopy 程序包進(jìn)行，能量和原子受力收斂精度分別提高為1×10-8eV 和0.01 eV/nm。

對(duì)2D SiO2施加面內(nèi)雙軸應(yīng)變是通過(guò)改變面內(nèi)晶格參數(shù)實(shí)現(xiàn)的。本征晶格參數(shù)為a0=b0，改變后的晶格參數(shù)為a=b，那么對(duì)2D SiO2施加的應(yīng)變?chǔ)?（a-a0）/a0，δ> 0 表示拉伸應(yīng)變，δ< 0 表示壓縮應(yīng)變。

3 結(jié)果與討論

3.1 2D SiO2的結(jié)構(gòu)

本文直接從層狀前驅(qū)體CaAl2Si2O8的結(jié)構(gòu)（圖1（a）、（b））出發(fā)，刪除結(jié)構(gòu)中的Ca 和Al 原子，得到2D SiO2的晶格結(jié)構(gòu)（圖1（c）、（d））。結(jié)構(gòu)優(yōu)化計(jì)算發(fā)現(xiàn)，2D SiO2的結(jié)構(gòu)由兩個(gè)[SiO4]四面體層以共用O 頂端的形式構(gòu)成（如圖1（d）所示），具有P?62m對(duì)稱性（空間群號(hào)189）。2D SiO2的晶格參數(shù)為a0=b0=0.511 9 nm，沿c方向（圖1（d）中的真空層方向）的Si—O 鍵長(zhǎng)為0.162 5 nm，其他的Si—O 鍵長(zhǎng)為0.162 3 nm。另外，計(jì)算得到的2D SiO2厚度為0.435 nm，幾乎與實(shí)驗(yàn)值一致[19,30]。

圖1 前驅(qū)體CaAl2Si2O8原胞結(jié)構(gòu)的側(cè)視圖（a）和俯視圖（b）；2D SiO2晶格原胞結(jié)構(gòu)的俯視圖（c）和側(cè)視圖（d）；（e）在800 K 溫度下2D SiO2的AIMD 結(jié)束時(shí)的結(jié)構(gòu)俯視和側(cè)視圖。圖中綠色、紅色和黃色球分別代表Ca/Al 原子、O 原子和Si原子。Fig.1 Side view（a）and top view（b）of CaAl2Si2O8unit cell. Top view（c）and side view（d）of 2D SiO2unit cell. （e）Top and side views of 2D SiO2structure at the end of AIMD calculation under 800 K. The green，red and yellow balls denote Ga/Al，O and Si atoms，respectively.

為了判斷2D SiO2的機(jī)械穩(wěn)定性，本文計(jì)算了其彈性模量，若2D 材料彈性模量的分量同時(shí)滿足：C11C22-C212>0 和C66>0，則2D 材料具有良好的機(jī)械穩(wěn)定性。我們計(jì)算得到的2D SiO2的彈性模 量 分 量C11=C22=65.597 2 GPa，C12=C21=15.908 3 GPa，C66=8.334 9 GPa，滿 足 上 述 機(jī) 械穩(wěn)定性判據(jù)，證明2D SiO2具有好的機(jī)械穩(wěn)定性。

為判斷2D SiO2的熱力學(xué)穩(wěn)定性，我們首先根據(jù)材料結(jié)合能的定義計(jì)算了其結(jié)合能:Ecoh（2D SiO2）=（mEO+nESi-ESiO2）（/m+n），其 中EO、ESi和ESiO2分別是每個(gè)O 原子、Si 原子和2D SiO2元胞結(jié)構(gòu)的能量，m和n分別為元胞中O 原子和Si 原子的個(gè)數(shù)。計(jì)算得到2D SiO2的結(jié)合能為3.09 eV/aotm，這個(gè)值接近于實(shí)驗(yàn)上已經(jīng)獲得的鍺烯和硅烯的結(jié)合能（分別為3.98eV/atom 和3.72 eV/atom）[31-32]，這意味著本文預(yù)測(cè)的2D SiO2很有可能通過(guò)實(shí)驗(yàn)制備獲得。另外，通過(guò)AIMD 分別模擬2D SiO2在300 K 和800 K 溫度下 的 結(jié) 構(gòu) 變 化，發(fā)現(xiàn)在300 K 溫 度下10 ps 的AIMD 結(jié)束時(shí)2D SiO2幾乎保持了其初始結(jié)構(gòu)不變，而在800 K 的AIMD結(jié)束時(shí)其結(jié)構(gòu)發(fā)生了輕微扭曲（圖1（e））。這意味著2D SiO2具有良好的熱穩(wěn)定性，其結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變溫度在800 K 以上。

隨后，利用密度泛函微擾理論（DFPT）計(jì)算2D SiO2的聲子譜來(lái)判斷其結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)穩(wěn)定性，計(jì)算得到的聲子譜如圖2（a）所示。從圖中可看出，在整個(gè)布里淵區(qū)，晶格振動(dòng)的聲子沒(méi)有虛頻（所有的頻率都大于0），這是晶格結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)穩(wěn)定的條件[33]，說(shuō)明2D SiO2具有好的動(dòng)力學(xué)穩(wěn)定性。

圖2 2D SiO2的聲子譜（a）、電子能帶結(jié)構(gòu)（b）和態(tài)密度曲線（c）。圖（c）中黑色曲線為T(mén)DOS，紅色和藍(lán)色曲線分別為O 和Si 原子的PDOS。Fig.2 Phonon spectra（a），band structure（b）and density of state plots（c）of 2D SiO2. In （c），the black curve denotes the TDOS of 2D SiO2，the red and the blue curves respectively represent PDOS of O and Si atoms.

3.2 2D SiO2的電子和光學(xué)性質(zhì)

圖2（b）、（c）為2D SiO2的電子能帶結(jié)構(gòu)和電子總態(tài)密度（TDOS）及分波態(tài)密度（PDOS）。圖2（b）顯示2D SiO2的價(jià)帶頂和導(dǎo)帶底均位于Γ 點(diǎn)，且價(jià)帶頂?shù)哪軒⑶€非常平，對(duì)應(yīng)的TDOS在價(jià)帶頂處出現(xiàn)尖銳的峰；而導(dǎo)帶底的能帶色散曲線比較陡峭，對(duì)應(yīng)的TDOS 在導(dǎo)帶底沒(méi)有出現(xiàn)尖銳的峰。并且從帶邊能帶色散曲線還可以看出，2D SiO2的空穴有效質(zhì)量比電子有效質(zhì)量更大，實(shí)際上我們結(jié)合VASP 和vaspkit 計(jì)算得到的電子和空穴的有效質(zhì)量分別為0.569m0和3.749m0，這意味著電子遷移率比空穴遷移率大。經(jīng)計(jì)算得到2D SiO2的帶隙為6.08 eV，說(shuō)明與三維SiO2一樣，2D SiO2仍然是絕緣體，結(jié)合其形狀規(guī)則、厚度均勻的二維結(jié)構(gòu)特性，2D SiO2可作為集成電路中絕緣層的優(yōu)秀備選材料。

通常用復(fù)介電函數(shù)ε（ω）來(lái)描述材料的光學(xué)特性，ε（ω）=ε1（ω）+ iε2（ω），其中ε1（ω）是介電函數(shù)的實(shí)部（Re），表示電子躍遷的共振吸收，ε2（ω）是介電函數(shù)的虛部（Im），表示物質(zhì)對(duì)光的吸收。根據(jù)ε（ω），可以得到材料的光吸收率、反射率、透射率以及光電導(dǎo)率。圖3 給出了2D SiO2的復(fù)介電函數(shù)、光吸收率、反射率、透射率和光電導(dǎo)率與光子能量的關(guān)系。

圖3 2D SiO2的x和y方向復(fù)介電函數(shù)（a）、z方向復(fù)介電函數(shù)（b）、光吸收率（c）、反射率（d）、透射率（e）、光導(dǎo)率（f）與光子能量的關(guān)系。Fig.3 Dielectric function inxandydirection（a），dielectric function inzdirection（b），light absorptivity（c），reflectivity（d），transmissivity（e）and optical conductivity（f）of 2D SiO2.

從圖3（a）、（b）中看出，2D SiO2的復(fù)介電函數(shù)是各向異性的，z方向與x和y方向的復(fù)介電函數(shù)不同。對(duì)于x和y方向，介電函數(shù)保持一致，靜態(tài)介電函數(shù)為ε1（0）=1.51，介電函數(shù)實(shí)部的整體變化趨勢(shì)是隨著光子能量先幾乎保持不變，然后逐漸增加，最后逐漸減小。介電函數(shù)實(shí)部ε（1ω）增加表示介質(zhì)的極化程度不斷增加，ε（1ω）減小表示對(duì)電荷的束縛能力變?nèi)?。虛部ε?ω）在0~6 eV 的光子能量范圍內(nèi)為0，表示對(duì)該能量范圍的光子無(wú)吸收，這與2D SiO2的帶隙大小一致。虛 部ε2（ω）曲 線 在7.92，9.90，10.80，14.59，17.60 eV 附近出現(xiàn)主要峰值。對(duì)于z方向，靜態(tài)介電函數(shù)ε（10）=1.52，ε（1ω）曲線隨光子能量的變 化 關(guān) 系 與x和y方 向 類 似，但 是 在9.31 eV 處 是急劇減小的；虛部ε（2ω）在0~6 eV 的光子能量范圍內(nèi)也為0，在7.99，9.53，11.60，13.0，14.70，16.20 eV 附 近 出 現(xiàn) 主 要 峰 值，并 且 在9.53 eV 和14.70 eV 兩處的峰比較尖銳。另外，將介電函數(shù)的虛部與能帶結(jié)構(gòu)聯(lián)系，我們發(fā)現(xiàn)，ε（2ω）的值開(kāi)始攀升的起點(diǎn)為其帶隙6.08 eV 對(duì)應(yīng)的光子能量，并且在9 eV 左右ε2（ω）出現(xiàn)的很強(qiáng)的峰來(lái)源于高對(duì)稱K 和M 點(diǎn)處的電子從VBM 向CBM 的躍遷。

圖3（c）給出了2D SiO2對(duì)光的吸收率，發(fā)現(xiàn)2D SiO2對(duì)6 eV 以下的光無(wú)吸收，與能帶計(jì)算結(jié)果和介電函數(shù)虛部得出的結(jié)果一致。2D SiO2對(duì)光的最高吸收率發(fā)生在14.52 eV，最高吸收率為13.9%。吸收率隨光子能量變化的曲線開(kāi)始攀升的起點(diǎn)以及峰的位置均與介電函數(shù)虛部吻合。圖3（d）為2D SiO2對(duì)光的反射率，可以看出2D SiO2對(duì)光的最大反射率僅為0.56%，說(shuō)明2D SiO2對(duì)光幾乎沒(méi)有反射。圖3（e）為2D SiO2對(duì)光的透射率，2D SiO2對(duì)6.0 eV 以下光的透射率接近100%，在6~7.5 eV 范圍內(nèi)對(duì)光的透射率也高達(dá)99%，隨后對(duì)大于7.5 eV 的光的透射率急劇下降，在10.0 eV 和14.5 eV 兩個(gè)位置出現(xiàn)光透射谷值，最小的光透射率為85.5%。上述結(jié)果說(shuō)明2D SiO2是一種性能優(yōu)異的透明材料，可作為二維透明涂層材料。圖3（f）為2D SiO2的光導(dǎo)率，光導(dǎo)率的實(shí)部隨光子能量變化關(guān)系與介電函數(shù)的實(shí)部和光吸收率相對(duì)應(yīng)，在~7.92，9.90，10.90，14.60，17.60 eV位置出現(xiàn)幾個(gè)主要的峰并在14.60 eV 處達(dá)到最大值；對(duì)于光導(dǎo)率的虛部，在光子能量小于14.60 eV 范圍內(nèi)光導(dǎo)率虛部小于0，在9.33 eV 處最小，然后隨著光子能量增加逐漸增加，光導(dǎo)率虛部的負(fù)值意味著在相應(yīng)的能量范圍內(nèi)2D SiO2的光電導(dǎo)率下降。

3.3 面內(nèi)應(yīng)變對(duì)2D SiO2電子和光學(xué)性質(zhì)的影響

本文對(duì)2D SiO2施加的應(yīng)變范圍為-5%~5%，應(yīng)變梯度為1%。由于同時(shí)改變晶格參數(shù)a和b，因此施加的是雙軸應(yīng)變。-5%~0 為雙軸壓縮應(yīng)變，0~5%為雙軸拉伸應(yīng)變。圖4 給出了2D SiO2的 帶 隙（Band gap）、價(jià) 帶 頂（VBM）和 導(dǎo) 帶 底（CBM）隨應(yīng)變的變化關(guān)系，本文中，我們所設(shè)置的帶邊能級(jí)位置的參考能級(jí)是統(tǒng)一的。從圖4（a）看出，在-5%～0 的雙軸壓縮應(yīng)變下，2D SiO2的帶隙隨著應(yīng)變?cè)黾泳€性增大，在應(yīng)變?yōu)?5%時(shí)，帶隙增加為6.17 eV。并且CBM 和VBM 隨著壓縮應(yīng)變的增加線性地向高能方向移動(dòng)，說(shuō)明雙軸壓縮應(yīng)變對(duì)CBM 和VBM 的作用一致。在0～5%的雙軸拉伸應(yīng)變下，2D SiO2的帶隙隨著應(yīng)變?cè)黾泳€性減小，在應(yīng)變?yōu)?%時(shí)，帶隙減小為5.43 eV。值得注意的是，CBM 隨著雙軸拉伸應(yīng)變是線性地向低能方向移動(dòng)；而VBM 隨著拉伸應(yīng)變是先向低能方向移動(dòng)（0～1%），然后線性向高能方向移動(dòng)（1%～4%），最后向低能方向移動(dòng)（4%～5%）。CBM 和VBM 隨壓縮和拉伸應(yīng)變不同的變化規(guī)律，使2D SiO2的帶隙受拉伸應(yīng)變的影響更大，這點(diǎn)從圖4（a）中也可以看出。

圖4 2D SiO2的帶隙（a）、導(dǎo)帶底（b）和價(jià)帶頂（c）隨應(yīng)變的變化關(guān)系。Fig.4 The band gap（a），CBM（b）and VBM（c）values of 2D SiO2 vsstrain.

圖5 為不同的面內(nèi)應(yīng)變作用下2D SiO2沿不同方向的介電函數(shù)實(shí)部。x方向介電函數(shù)實(shí)部隨應(yīng)變的變化規(guī)律為：在雙軸拉伸應(yīng)變下，靜態(tài)介電函數(shù)ε1（0）逐漸減小，相應(yīng)的0~7.5 eV 能量范圍的曲線逐漸向下輕微移動(dòng)，介電函數(shù)實(shí)部的前兩個(gè)主峰位置逐漸紅移；而在壓縮應(yīng)變下，靜態(tài)介電函數(shù)ε1（0）逐漸增大，相應(yīng)的0~7.5 eV 能量范圍的曲線逐漸向上輕微移動(dòng)，介電函數(shù)實(shí)部的前兩個(gè)主峰位置（~7.5 eV 和~9.2 eV 處）也略微紅移；從主峰位置移動(dòng)大小可以看出，x方向介電函數(shù)實(shí)部受拉伸應(yīng)變的影響比壓縮應(yīng)變大。對(duì)于z方向介電函數(shù)實(shí)部，靜態(tài)介電函數(shù)ε1（0）隨應(yīng)變的變化規(guī)律與x方向一致。不同的是，在拉伸應(yīng)變下，介電函數(shù)實(shí)部的第一個(gè)主峰位置逐漸紅移，第二個(gè)主峰位置在0~3% 應(yīng)變范圍內(nèi)逐漸藍(lán)移、在3% ~ 5%應(yīng)變范圍內(nèi)紅移；而在壓縮應(yīng)變下，介電函數(shù)實(shí)部的第一個(gè)主峰位置逐漸藍(lán)移，而第二個(gè)主峰位置逐漸紅移。

圖5 在不同應(yīng)變下2D SiO2的x方向介電函數(shù)的實(shí)部：（a）拉伸應(yīng)變，（b）壓縮應(yīng)變；在不同應(yīng)變下2D SiO2的z方向介電函數(shù)的實(shí)部：（c）拉伸應(yīng)變，（d）壓縮應(yīng)變。Fig.5 The real part of dielectric function ofxdirection for 2D SiO2under different strains：（a）tensile strain，（b）compressive strain. The real part of dielectric function ofzdirection for 2D SiO2under different strains：（c）tensile strain，（d）compressive strain.

圖6 為不同的面內(nèi)應(yīng)變作用下2D SiO2沿不同方向的介電函數(shù)虛部。從圖中看出，介電函數(shù)虛部受拉伸應(yīng)變的影響比壓縮應(yīng)變的大，這與電子結(jié)構(gòu)（帶隙，VBM，CBM）受拉伸應(yīng)變影響較大的結(jié)果一致。x方向介電函數(shù)虛部隨應(yīng)變的變化為：在拉伸應(yīng)變下，0~10 eV 范圍內(nèi)的虛部峰逐漸紅移，且應(yīng)變?yōu)?%時(shí)，在~8.7 eV 處出現(xiàn)新的峰，另外應(yīng)變?yōu)?%~5%時(shí)在12.37 ~12.55 eV 處出現(xiàn)更強(qiáng)的新峰；在壓縮應(yīng)變下，0~10 eV 范圍內(nèi)的虛部峰先紅移再藍(lán)移，且應(yīng)變?yōu)?5%時(shí)，在10~20 eV 范圍內(nèi)出現(xiàn)多個(gè)新峰。z方向介電函數(shù)虛部隨應(yīng)變的變化為：在拉伸應(yīng)變下，~7.6 eV 處的峰逐漸紅移，~9.5 eV 處的峰在0~3%應(yīng)變范圍內(nèi)逐漸藍(lán)移、在3%~5%應(yīng)變下逐漸紅移，并且在3%~5%應(yīng)變下在~12.0 eV 處出現(xiàn)新的較強(qiáng)的峰；在壓縮應(yīng)變下，~7.6 eV 處的峰逐漸藍(lán)移，~9.5 eV 處的峰逐漸紅移，且10~20 eV 范圍內(nèi)的主峰都有所增強(qiáng)。綜合來(lái)看，在拉伸應(yīng)變下，介電函數(shù)虛部曲線開(kāi)始攀升的起點(diǎn)在拉伸應(yīng)變下逐漸紅移，對(duì)應(yīng)的光子能量逐漸減小，說(shuō)明電子躍遷越來(lái)越容易，而曲線開(kāi)始攀升的起點(diǎn)在壓縮應(yīng)變下變化較小，說(shuō)明拉伸應(yīng)變會(huì)使帶邊電子的躍遷變得容易、拉伸應(yīng)變對(duì)帶邊電子躍遷影響較小，這與帶隙隨應(yīng)變的變化規(guī)律一致。

圖6 在不同應(yīng)變下2D SiO2的x方向介電函數(shù)的虛部：（a）拉伸應(yīng)變，（b）壓縮應(yīng)變；在不同應(yīng)變下2D SiO2的z方向介電函數(shù)的虛部：（c）拉伸應(yīng)變，（d）壓縮應(yīng)變。Fig.6 The imaginary part of dielectric function ofxdirection for 2D SiO2under different strains：（a）tensile strain，（b）compres?sive strain. The imaginary part of dielectric function ofzdirection for 2D SiO2under different strains：（c）tensile strain，（d）compressive strain.

圖7 為2D SiO2在不同應(yīng)變下的吸收率、反射率、透射率和光導(dǎo)率。根據(jù)上述介電函數(shù)受應(yīng)變影響分析，在-5%～5%范圍內(nèi)的面內(nèi)應(yīng)變對(duì)介電函數(shù)影響不是特別大，因此為使圖片簡(jiǎn)潔，圖7 中只給出了2D SiO2的光學(xué)性質(zhì)在-5%、0 和5%應(yīng)變下的曲線。從圖7（a）~（d）可看出，吸收率隨應(yīng)變的變化規(guī)律與介電函數(shù)虛部的變化規(guī)律一致，拉伸應(yīng)變會(huì)略微增強(qiáng)吸收，然而應(yīng)變對(duì)整體光的吸收、反射、透射和光導(dǎo)率影響很小。這說(shuō)明，在實(shí)際應(yīng)用中2D SiO2即使在應(yīng)變作用下，其光學(xué)性能依然能保持穩(wěn)定，不會(huì)對(duì)器件或設(shè)備性質(zhì)造成不良影響。

圖7 在不同應(yīng)變下2D SiO2的吸收率（a）、反射率（b）、透射率（c）和光導(dǎo)率（d）。Fig.7 The light absorptivity（a），reflectivity（b），transmissivity（c）and optical conductivity（d）of 2D SiO2under different strains.

4 結(jié) 論

本文從前驅(qū)體CaAl2Si2O8出發(fā)，直接刪除層狀前驅(qū)體結(jié)構(gòu)中的Ca 和Al 原子，獲得了層狀2D SiO2結(jié)構(gòu)（P?62m對(duì)稱性，空間群號(hào)189）。采用第一性原理計(jì)算研究了新型2D SiO2的結(jié)合能、彈性系數(shù)、聲子譜以及分子動(dòng)力學(xué)模擬，驗(yàn)證了該2D SiO2結(jié)構(gòu)具有良好的機(jī)械穩(wěn)定性、動(dòng)力學(xué)穩(wěn)定性和熱力學(xué)穩(wěn)定性。通過(guò)計(jì)算得到了2D SiO2的電子能帶結(jié)構(gòu)、介電函數(shù)，以此獲得了其光吸收率、反射率、透射率和光導(dǎo)率等光學(xué)性質(zhì)，發(fā)現(xiàn)2D SiO2是帶隙為6.08 eV 的優(yōu)秀絕緣體，并且對(duì)0~7.5 eV 范圍的光透射率可達(dá)99%以上，是一種優(yōu)秀的透明材料，可作為透明涂層或填充材料。另外，計(jì)算發(fā)現(xiàn)，在-5%~5%應(yīng)變范圍內(nèi)，2D SiO2的介電函數(shù)會(huì)受到影響，但是不會(huì)影響其整體光學(xué)性質(zhì)，說(shuō)明2D SiO2在應(yīng)變作用下光學(xué)性質(zhì)非常穩(wěn)定。

本文專家審稿意見(jiàn)及作者回復(fù)內(nèi)容的下載地址：http://cjl. lightpublishing. cn/thesisDetails#10.37188/CJL.20230072.