硅稀的原子结构
学年论文B
硅烯的原子结构
The Atomic Structures of Silicene
指导老师
中国科学院物理研究所
孟胜(Sheng Meng) 研究员
吉林大学材料科学与工程学院
张进(Jzhang )
【43090104】
ABSTRACT:
硅烯(Silicene )——一种与石墨烯(Graphene )相似的单层2维蜂窝状网格结构,有着与石墨烯相似的性质。根据基于DFT 的第一性原理计算发现,与石墨烯的平面结构不同,硅稀LB (low-buckled )结构是可以稳定存在的;其电荷载体表现出了无质量狄拉克费密子的特性;而且硅纳米带(nanoribbons )的电学性质和磁学性质收到纳米带尺寸,有无氢钝化,带取向
(orientation )的影响,这些性质可能会给新纳米器件的研发提供新的选择。此外,本文还给出了一些实验方面的进展介绍。
KEY WORDS
Silicene ,First-principles calculation,LB,honeycomb structures,Massless Dirac Fermions,STM
硅烯,第一性原理计算,LB 蜂窝状网格结构,无质量狄拉克费密子体系,扫描隧道显微镜
石墨烯所特有的电学性质来源于其平面蜂窝状网格结构所产生的接近无质量的狄拉克费密子电荷体系。
硅元素以化合物的形式广泛存在于自然界中,是太阳能电池片、二极管、三极管、光电子
器件、晶体管等器件的主要原材料,在微电子领域中占据举足轻重的地位。随着现代科学技术的发展,硅也从原先的块体材料,逐渐演变发展到微观尺度l2],形成了包括晶体硅、二维硅片材料
[3]、一维硅纳米线、纳米管材料和硅纳米团簇材料的完整体系。
我们把目光转向碳的同族元素硅,研究其2维结构特点,并给出一些实验的证据。
A, 硅烯的结构计算
首先S.Cahangirov 等人在2009年做了基于密度泛函理论(DFT )的结构优化,声子谱和从头算的有限温度动力学模拟计算。
1;他们选取了三种初始结构模型:HB(High-buckled) ,LB(Low-buckled),PL(Plannar);然后计算了不同晶格常数下晶胞的总能量,发现晶格常数为2.67A 的HB 结构和3.86A 的LB 结构能量最低。
2;接着他们对这两种模型进行了声子模拟发现你2.67A 的HB 结构更接近于块体结构,相比之下3.86A 的LB 结构更加稳定。
3;他们用分子动力学的方法对超晶胞(4*4)的LB 结构进行了模拟,给这个超晶胞在100步
内升温到1000K ,每步的时间是10ps ,最后发现LB 结构没有塌陷,所以认为LB 结构在室温下可以稳定存在。
4;他们计算了Si-LB 结构的电子能带结构(electronic band structures)和态密度(DOS );借此分析它的金属性质。
B, 硅烯蜂窝状结构的实验证据
2012年Baojie Feng,Zijing Ding等(Institute of Physics,CAS) 在Nano Letters 上发表文章系统介绍了基于Ag(111)面上的硅烯的制备,并结合第一性原理计算的结果,证实了蜂窝状网格结构硅烯的存在。
实验中,硅原子在不同的衬底温度下沉积到Ag (111)上,从而得到不同的相,在STM 图像下,分析了不同相的结构。
a,400K 以下,硅原子发生积聚,不能形成单层膜;
b ,420K 时,形成了两相T 和H 相;经分析两相有着相近的能量,稳定性和原子结构
分析得到,这两相都不是计算所预计的LB 结构 c ,480K 时,得到了与上述两相都不同的第三相moire pattern phase;这一相结构上长程有序,后证明是不完整的LB silicene;
d ,500K 时,得到了LB 结构的silicene ,
STM 图像证实单层硅原子silicene 的结构是LB 蜂窝状网格结构;结合第一性原理计算发现
Ag(111)面与silicene 间的作用力跟两层silicene 间的作用力一样弱;即LB 结构是硅自身性质所决定,而非受基底的影响。
上图给出了两种硅烯的模型和稳定性分析
C, 硅烯中近无质量Dirac Fermions的实验证据
2012年Lan Chen(IOP CAS)发表文章证实了单层蜂窝状网格结构的硅烯结构中近似无质量狄拉克费密子系统的存在。作者做了STM 与STS (scanning tunneling spectroscopy)的表征研究,发现了与理论计算所不同的超结构;尽管结构不同,STS 测得的电学性质与理论值是一致的。比如,准粒子干扰(QPI=Quasiparticle interference)模式所指出的电荷载体的谷间-谷内散射已经被观测到;而且,得出了能量-动量之间的线性分散关系和高费米速度(约为光速的百分之一)。这一些给硅烯电学性质和应用提供了坚实的实验证据。
上图中绘出了STM 给出的信息和二维布里渊区的信息,证实了上述结论。
D ,毕业设计规划
虽然实验上,硅烯的研究进展还略显缓慢,但上述几个实验已经证明了硅烯单层蜂窝状网格结构,及其类似于石墨烯的电子结构;再加上硅元素与现代半导体器件更好的兼容性。未来硅烯的实验和理论方面都会有进一步的发展和应用。
未来半年,我打算好好研究硅烯纳米带的结构和电学,磁学性能。
1,改变硅纳米带的尺寸和取向;
2,研究掺杂和晶体缺陷(如空位,位错等)对硅烯结构和性能的影响;
3,进一步关注硅纳米管的结构与性质。 基于DFT 的第一性原理计算模拟对以上方向进行研究,从而为实验提供理论依据,指明方向;并结合实验,改进模型从而进一步加深对硅元素的二维,一维结构的制备和表征;为实际应用打下基础。
E, 参考文献
1,Cahangirov, S.; Topsakal, M.; Akturk, E.; Sahin, H.; Ciraci, S.356 Phys. Rev. Lett. 2009, 102, 236804.
2,Baojie Feng, Zijing Ding, Sheng Meng, Yugui Yao, , Xiaoyue He, Peng Cheng, Lan Chen,*, and Kehui Wu*,Nano Letters(2012) Evidence of Silicene in Honeycomb Structures of Silicon on Ag(111)
3,Lan Chen,Cheng-Cheng Liu,1Baojie
Feng,Xiaoyue He,Peng Cheng,Zijing Ding,Sheng Meng,Yugui Yaoand Kehui Wu PRL 109, 056804 (2012) Evidence for Dirac Fermions in a Honeycomb Lattice Based on Silicon
4宋健,二维有机纳米硅片的几何和电子结构性质的第一性原理研究 南京理工大学硕士论文