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功能化硅樹脂的電磁特性:第一性原理研究Fu-bao zheng and Chang-wen zhang摘要:基于第一性原理的計(jì)算,我們研究氫和溴在硅樹脂上滲透的結(jié)構(gòu)和電磁的二維特性。發(fā)現(xiàn)完全滲透的硅樹脂呈現(xiàn)非磁性的半導(dǎo)體的表現(xiàn)。而只有一面有氫和溴的半滲透導(dǎo)致在硅原子上出現(xiàn)小范圍的和不成對(duì)的電子,各自表現(xiàn)出鐵磁體半導(dǎo)體的或半金屬的特性??偰芰坑?jì)算表明半氫化硅樹脂呈現(xiàn)鐵磁體的規(guī)則,而半溴化的一側(cè)呈現(xiàn)反鐵磁體的性質(zhì)。關(guān)鍵詞:第一性原理,硅樹脂,鐵磁性,居里溫度背景:最近,因?yàn)榈途S石墨烯獨(dú)特的電子特性和其將來(lái)在納光電子方面潛在的應(yīng)用價(jià)值吸引了大量興趣,因此它是在物理學(xué)和納米技術(shù)領(lǐng)域最具有研究?jī)r(jià)值材料之一。然而,石墨烯在大面積生長(zhǎng)上面臨巨大挑戰(zhàn),更重要的是不符合當(dāng)前的硅基電子技術(shù)。相對(duì)應(yīng)的石墨烯,在二維六角堆積硅樹脂最近從二硅化鈣上化學(xué)脫落。最近更深入研究,硅納米帶被固定在銀基底的沉積物上。硅基納米材料的合成開辟了學(xué)習(xí)他們的物理和化學(xué)屬性道路, 它的額外的好處是兼容的與現(xiàn)有的半導(dǎo)體設(shè)備?;瘜W(xué)功能化通常是一個(gè)調(diào)整二維結(jié)構(gòu)的電磁特性調(diào)整的有效方法,例如石墨烯,BN,AIN,和CdS片,特別是據(jù)報(bào)道用氫氣平面化學(xué)修飾引起了在沒有3d和4f元素?fù)诫s情況下鐵磁體在二維碳基材料上的大范圍有序生長(zhǎng)。不會(huì)受3d和4f元素?fù)诫s的材料的沉積物和次生相形成的影響,這對(duì)實(shí)際應(yīng)用帶來(lái)不利。對(duì)于硅基底的納米結(jié)構(gòu),Jose和Datta報(bào)道了硅樹脂和笨化硅簇的結(jié)構(gòu)和電子特性,指出硅樹脂簇可能成為FET和氫儲(chǔ)存有希望的材料。因?yàn)楣铇渲罱鼊偙灰庾R(shí)到,它在磁性條件下硅樹脂表面吸收外來(lái)原子的效果還沒有被徹底的開發(fā)。在現(xiàn)在的信里,根據(jù)第一計(jì)算原理,我們關(guān)注在硅樹脂上吸收氫和鹵素溴后實(shí)現(xiàn)鐵磁性的可能性,它可看做是硅樹脂的電子特性是可調(diào)的,尤其是鐵磁有序和鈑金屬性可通過吸收H和Br原子來(lái)實(shí)現(xiàn)。這可能打開一條在自旋電子學(xué)上設(shè)計(jì)硅基底納米結(jié)構(gòu)的道路。方法:所有的預(yù)測(cè)都是使用軟件包和密度功能能理論。使用廣義梯近似和450ev截止能量作為平面波基組。對(duì)于Si,H,Br在3s23p2, 1s1和 4s24p5價(jià)電子構(gòu)型各自使用贗勢(shì)法。依據(jù)Monkhorst-pack方案,布里淵區(qū)在991 k點(diǎn),15 15 1 k點(diǎn)集成以獲得電子特性。幾何學(xué)的對(duì)稱無(wú)限制的優(yōu)化通過共軛梯度計(jì)劃演示出來(lái)直到最大的哈密頓-赫爾曼力小于0.01 eV/。結(jié)論和討論:硅樹脂單的調(diào)查模型如圖1a所示。晶包里有八個(gè)硅原子。計(jì)算出Si-Si的鍵長(zhǎng)是d1 = 2.27 ,這與先前的研究吻合很好。與石墨烯不同的是,更大的Si-Si的鍵長(zhǎng)削弱了- 重疊,導(dǎo)致sp3的低彎曲結(jié)構(gòu)(h = 0.45 )像雜化軌道(圖1b)。為檢查單個(gè)H被吸附的位置,我們考慮在硅上三種不同的吸收立體基陣,如頂位,橋位和谷位,如圖1a所示。結(jié)構(gòu)的相對(duì)穩(wěn)定性決定于結(jié)構(gòu)能,其定義為Ef = E(H:硅樹脂)-E(硅樹脂)- 1/2nH,E(H:硅樹脂)和E(硅樹脂)分別是超晶包有雜質(zhì)和沒雜質(zhì)是的總能量。H是氫氣的化學(xué)勢(shì),n是H原子在硅樹脂上的濃度。從計(jì)算結(jié)果看,T的結(jié)合能是最低的,如圖1c所示。因此,對(duì)于氫原子T位置是穩(wěn)定的吸收位置,暗示氫化硅的生長(zhǎng)可以充分利用沉積物技術(shù),這能控制二維材料以避免長(zhǎng)成三維的小島。當(dāng)硅樹脂吸附在基底上,通常長(zhǎng)生只有一個(gè)氫功能化的平面的半裝飾片,它也可以通過對(duì)硅樹脂的(0001)面添加垂直外電場(chǎng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。因此,我們考慮半氫化硅樹脂的結(jié)構(gòu),在頂端Si1原子被氫化,Si2原子保持未飽和狀態(tài)(如圖2a)。在純凈的硅樹脂里,Pz軌道垂直于Si環(huán)系統(tǒng)一起混合形成微弱但是大量存在的結(jié)合網(wǎng)。當(dāng)一半的硅原子被氫化,H原子會(huì)和Si1原子形成很強(qiáng)的粘合,導(dǎo)致sp3的氫和硅原子雜交,同時(shí)Si2原子保持sp2雜交,這使得在Si2上未飽和的的電子被固定下來(lái)并且未配對(duì),導(dǎo)致每個(gè)晶胞中Si2以整數(shù)磁矩被自旋極化。檢驗(yàn)是否集體磁有序,能力差異,鐵磁性和反鐵磁性之間,發(fā)現(xiàn)0.068eV,因此鐵磁有序是一個(gè)穩(wěn)定的基態(tài)。我們用公式kBTC/2= EAFM- EFM從平均場(chǎng)近似法預(yù)測(cè)居里溫度,其中是結(jié)構(gòu)尺寸,kB是波爾茲曼常數(shù)。我們發(fā)現(xiàn)構(gòu)型為HSi1計(jì)算出來(lái)的居里溫度為300K,在自旋電子學(xué)里的實(shí)際應(yīng)用時(shí)很理想的。最近研究表明表面鹵素的飽和是一個(gè)調(diào)整Si納米線的電子特性的很有效的方法。Zhou et a同時(shí)表明氟原子裝飾在石墨烯或是碳納米管上不同位置會(huì)產(chǎn)生令人滿意的磁特性。近期Yaya et al研究溴化處理石墨烯和石墨,預(yù)言了有趣的電子特性。因此研究鐵磁性是否由例如鹵素Br的吸收引起是一個(gè)非常有趣的研究。當(dāng)硅樹脂兩面充分被溴化(如圖3a),我們發(fā)現(xiàn)它呈現(xiàn)出無(wú)磁半導(dǎo)體的表現(xiàn),直接能帶為1.47eV(圖3b),這比氫化硅樹脂小得多。在只有一半硅樹脂被溴化(BrSi1)的情況下,Bader分析顯示以局部磁矩為每個(gè)晶包1.0B形成自旋極化,一半硅樹脂氫化情況與此類似。更有趣的是,能帶接近費(fèi)米能級(jí)呈現(xiàn)一個(gè)金屬的自選減弱通道和一個(gè)半導(dǎo)體的自旋上升通道,帶寬為1.73-eV,因此半金屬性質(zhì)伴隨著100%自旋極化電流的獲得,暗示了基于硅樹脂建立旋轉(zhuǎn)設(shè)備的一種可行方法。為確定在BrSi1里Br誘導(dǎo)的半金屬性的磁穩(wěn)定性,我們計(jì)算磁性,反磁性和非磁性的總能量差異。我們發(fā)現(xiàn)反鐵磁性的狀態(tài)是0.17和0.51 eV每單位晶包的能量低于鐵磁和非磁性狀態(tài)。表明BrSi1表現(xiàn)出一個(gè)反鐵磁性的行為。為了根據(jù)MSi1(M = H或Br)片磁性質(zhì)后面的源,自旋密度的項(xiàng)密度(PDOS)和等值面如圖4所示。局部磁力矩主要由不飽和Si2原子在費(fèi)米能級(jí)附近的3p電子產(chǎn)生,HSi1和BrSi1分別是0.27和0.24B,飽和的硅原子帶有很小的磁矩(圖4)。然而在BrSi1吸附的Br原子產(chǎn)生一個(gè)0.11 B的磁矩,比H在HSi1里產(chǎn)生的磁矩(0.05 B)大。最近John et al.研究分層鎳alkanethiolates和雙核的鎳(II)復(fù)合體的磁相互作用。他們發(fā)現(xiàn)整個(gè)磁系統(tǒng)的行為取決于鐵磁和反鐵磁相互作用競(jìng)爭(zhēng)微妙的平衡關(guān)系。然而在HSi1里,因?yàn)樵?p狀態(tài)的價(jià)電子比在d和f狀態(tài)的價(jià)電子更加活躍。更大的空間擴(kuò)展促進(jìn)遠(yuǎn)程交換鐵磁耦合,由于擴(kuò)大了p-p交換。事實(shí)上,波函數(shù)的擴(kuò)展的尾巴已經(jīng)被提出調(diào)解在非磁性元素?fù)诫s的遠(yuǎn)程鐵磁性納米結(jié)構(gòu)5。結(jié)論:總之,根據(jù)第一性原理計(jì)算結(jié)果,我們研究了2D六角硅樹脂吸收H和Br原子后的電子結(jié)構(gòu)和磁特性。我們發(fā)現(xiàn)硅樹脂雙面飽和吸收后呈現(xiàn)的非磁性半導(dǎo)體行為。對(duì)于只有一個(gè)硅樹脂面形成的半飽和吸,HSi1的收呈現(xiàn)鐵磁性行為,BrSi1由于不飽和的Si2原子小范圍不配對(duì)電子呈現(xiàn)半金屬特性。總能量的計(jì)算
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