单层氮化硼类石墨烯结构的电子结构和磁性的第一性原理研究

摘要

纳米材料石墨烯(graphene)，由于它们特殊的电子性质和几何结构，自从2004年Geim等人发现稳定存在的单层石墨烯结构以来，这种新材料便受到了世界范围内的广泛关注。石墨烯以及石墨烯的衍生物(石墨烷、石墨酮和石墨烯纳米带)在实验和理论上引起了科学家的极大兴趣。研究显示，石墨烯在材料领域中将有着广泛的应用。在元素周期表中氮元素和硼元素与碳元素相邻，有着与碳元素接近的电子结构，所以它们形成的化合物具有与石墨烯类似的结构。于是，研究单层氮化硼的热潮随之而来。
　　 类比于石墨烯和石墨烯纳米带的研究，本文以单层氮化硼为基本构型，在密度泛函理论(DFT)框架下，对单层氮化硼在硼位置吸附不同原子的情况下的晶体结构、电子和磁性质进行了计算和分析，从而为实验工作者提供理论依据。
　　 首先我们介绍了研究背景，然后回顾了第一性原理方法的发展历程及当前取得的进展。最后采用以密度泛函理论为基础的广义梯度近似方法计算了用官能团修饰的单层氮化硼的结构稳定性、电子和磁性质。结果表明，进行了化学修饰的单层氮化硼的结构较之纯的氮化硼略有变化，晶格常数各不相同。纯的氮化硼是具有4.91eV带宽的半导体，通过官能团的引入，氮化硼的电子性质发生了变化。在锯齿型的修饰中，B位吸附F或者OH时，体系由半导体变成了半金属，也就是说，其中自旋向上能带的费米能级恰好落在价带和导带的能隙中，显示出绝缘体的性质，而自旋向下的能带跨过费米面呈金属性；B位吸附H时，情况变得有所不同，体系仍然是半导体，但显示出了自旋极化的现象，自旋向上带具有4.283eV的宽带隙，而自旋向下带的带隙几乎为零。相应的，在扶手椅型的修饰中，B位吸附F或者OH时，情况类似于锯齿型中吸附H的，体系呈现自旋极化的半导体性；而吸附H时，体系显示出了金属性。另外，纯的氮化硼是非磁性的，而进行了化学修饰的单层氮化硼均具有磁性，总磁矩接近或等于2μB。