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ISSN: 2321 - 6212
沈阳理工大学建筑工程学院,中国
收到的日期:21/11/2018;接受日期:03/12/2018;发布日期:10/12/2018
DOI: 10.4172 / 2321 - 6212.1000240
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方法采用基于密度泛函理论(DFT)的电子和光学性质研究grapheneadsorption Si原子系统剪切变形。包括吸附能、能带、电荷转移、光吸收系数和反射率。研究结果表明,当Si原子吸附在石墨烯B站点,吸附能量的绝对值最大和系统是最稳定的。graphene-adsorption Si原子的稳定性随剪切变形。剪切的程度没有影响系统的稳定性。吸附的硅原子可以打开石墨烯带隙,从而改变石墨烯金属一半导体。剪切变形大于3%时,石墨烯几何是扭曲的。吸附系统的带隙先增加然后减少随着剪切变形的增加。吸附系统都是间接带隙与带隙值小于0.3 eV,相应的窄带隙半导体。负责人口的数量表明,共价键和离子键吸附体系中共存。 The adsorption of Si atom increases the charge transfer between Si and C, but the degree of shear has little effect on charge transfer. In the study of optical properties, the absorption coefficient and reflectance of the shear deformation-induced adsorption system were reduced compared with the shear-induced adsorption system, and the blue-shift phenomenon appeared with the increase of the shear deformation.
石墨烯吸附Si原子、剪切变形、电子结构、光学性质
由于石墨烯的发现由英国科学家如诺沃肖洛夫et al。1- - - - - -4),它在科学研究已引起广泛关注。石墨烯是一种平面二维碳结构与一个独特的sp2杂化轨道,因此有许多特殊的性质。尤其是物理性质(5,6),如热导率高、反常量子霍尔效应(7),电子迁移率(8),无质量的狄拉克费米子(9),和宽带光吸收等。促进石墨烯在纳电子学领域的广泛应用和光学设备10]。二维平面结构的石墨烯具有大的比表面积,几乎是完全透明的。它有巨大的发展潜力和研究光场(11- - - - - -15]。
戴et al。16)如果石墨烯的吸附研究空置密度泛函理论的基础上。研究结果表明,硅原子与C原子的时候如果是空置的石墨烯吸附。C原子在石墨烯的自旋性质的变化,这就增加了石墨烯的吸附特性。胡锦涛et al。(17]研究了N的影响、半岛和P掺杂如果石墨烯的吸附使用第一原理方法。Al P掺杂提高了Si的吸附在石墨烯。N掺杂有Si的吸附在石墨烯的影响不大。制度Si-adsorbed n型和p型石墨烯石墨烯磁属性。的Si-adsorbed Al-doped石墨烯系统的磁矩为0,不表现出磁性。
由于硅原子的吸附可以打开石墨烯能带和改变它的属性,这样的研究是有限的。此外,电和光学的研究graphene-adsorbed Si原子系统剪切变形也很少报道。摘要Si原子吸附在4×4基于采用基于石墨烯的方法,然后运用剪切变形观察结构稳定,吸附体系的电子结构和光学特性。
计算方法和物理模型
摘要CASTEP量子力学模块的基础上,采用基于DFT平面波MS8.0伪势方法用于模拟Si原子体系的剪切变形吸附在字母18]。能量交换关联函数使用Perdew-Burke-Ernzerhof (PBE)函数形式的广义梯度近似(GGA) [19,20.]。倒晶格空间,可以采用截止350 eV。Monkhorst-Pack特别K-point抽样法用于积分计算在布里渊区。为了减少系统中的平面波基组,范德比尔特超级柔软的潜在使用(21,22]。能量收敛精度不小于2.0×105电动汽车/原子。自洽场理论迭代收敛精度设置为2.0×106电动汽车。K-point设置为6×6×1和BFG Soptimization算法(23,24]。计算时,X, Y平面在石墨烯平面,Z方向是垂直于石墨烯平面。真空层的厚度是15一个。在这个时候,层间相互作用力是微不足道的。
图1一个是一个4×4×1本征石墨烯电池总共32个原子。三个高度对称的石墨烯吸附时吸附网站考虑Si原子,明白了图1 b。在H位置,Si原子吸附在C环的中心。T网站,Si原子吸附C原子的正上方。位置B, Si原子吸附在碳碳键中心
图1所示。石墨烯模型:(一)本征石墨烯模型;(b)石墨烯吸附Si原子模型
图2展示了石墨烯在剪切变形后的几何优化模型。石墨烯的程度剪切的特点是在此晶格常数的比值,即原子的距离,连续的石墨烯电池相对于另一行。以5%的剪切形状为例。具体操作是:移动右边的蓝色链5%,修复它,然后向左移动黄色链5%,修复它优化结构。
图2。剪切模型(一)0%石墨烯模型;(b)5%剪切模型
图2为了研究Si-adsorbed石墨烯的结构稳定性在不同剪切水平,不同程度的剪切变形的吸附能系统计算。鉴于吸附能的定义,如下(24]:
E广告= Egra-si- e绿草- e如果(1)
的公式,E绿草石墨烯的能量或剪切石墨烯,Esi Si原子的能量,和Egra-si是吸附的能量系统。根据公式(1),吸附能的绝对值越大,结构越稳定。
结构优化和结构稳定性
摘要auto-optimization方法用于计算三high-symmetry头寸的石墨烯的吸附能吸附Si原子。可以看出表1当Si原子吸附到石墨烯的b区域,系统的吸附能是绝对自我最大化和系统是最稳定的。吸附的能量是由公式(1)计算-1.25 eV。这时,碳碳键的长度为1.43 nm,同单晶硅键长是2.09海里。同单晶硅债券长度比碳碳键的长度长,表明硅原子的吸附石墨烯导致C原子和硅原子之间的相互作用在石墨烯,石墨烯结构发生一定程度的改变。我们可以看到图3附近,C原子Si原子是停了下来。接下来,本文将分析C之间的交互和Si的剪切变形下graphene-adsorbed Si原子。
表1。吸附能的Si原子吸附在石墨烯在不同的位置
| 吸附位置 | T位置 | B位置 | H位置 |
|---|---|---|---|
| 吸附能量(eV) | -1.13 | -0.65 | -1.25 |
图3。优化几何Si原子吸附在石墨烯(一)俯视图;(b)前视图
表2显示了吸附能量和Si原子吸附在石墨烯的吸附高度不同的剪切变形。当剪切变形0% - -1%,吸附体系的吸附能减少随着剪切变形的增加。当剪切变形1% - -5%,吸附体系的吸附能增加剪切变形。可以看出,吸附系统的稳定性降低,然后增加剪切变形。当剪切变形是1%,吸附系统的能量至少-1.20 eV。当剪切变形5%,最大吸附系统的能量是-1.53 eV。与吸附的能量un-sheared系统-1.25 eV,没有显著差异。随着剪切变形的增加,吸附体系的吸附高度之间的区别。它可以得出剪切的程度几乎没有影响的稳定性Si吸附在石墨烯的原子结构。
表2。吸附能量和吸附高度Si原子系统吸附石墨烯在不同剪切变形。
| 剪切变形 | 0% | 1% | 2% | 3% | 4% | 5% |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 吸附能量(eV) | -1.25 | -1.2 | -1.23 | -1.28 | -1.38 | -1.53 |
| 吸附高度(A) | ||||||
| 2.09 | 2.08 | 2.07 | 2.06 | 2.09 | 2.07 |
图4显示了结构优化模型对Si原子的吸附石墨烯为0%,1%,2%,3%,4%,和5%的剪切变形。从图4可以看出,当剪切变形小于3%,吸附系统的几何结构不是极大的扭曲。剪切变形大于3%时,吸附的几何结构系统是扭曲的,但吸附系统的平面结构仍然是六角形。
图4。几何优化图(一)——(f)前的观点graphene-adsorption Si系统当剪切变形0%,1%,2%,3%,4%,5%
石墨烯吸附Si原子系统的电子结构
负责人口:为了分析类型的键和C和Si原子之间的结合强度,表3显示了费用人口的系统。
表3:C和Si原子的原子数量在不同剪切变形
| 剪切变形 | 0% | 1% | 2% | 3% | 4% | |
|---|---|---|---|---|---|---|
| C | 马克斯 | 0 | 0.01 | 0.02 | 0.01 | 0 |
| 最小值 | -0.18 | -0.18 | -0.19 | -0.19 | -0.16 | |
| 如果 | 0.48 | 0.49 | 0.5 | 0.5 | 0.52 |
可以看出表3的本征石墨烯在C原子不带电。后应用Si atom-absorbing石墨烯系统的剪切变形,Si原子失去电子和带一个正电荷0.48 - -0.59。C原子上的电荷有积极的和消极的指控。电子从硅原子转移到C原子。核电子的原子排列是C1s22s22p2 Si1s22s22p63s23p2分别。原子结构完全shell, Si原子不稳定的电子,C原子失去电子和电子。本征石墨烯系统只有C原子之间的共价键。硅原子的吸附石墨烯提高石墨烯的原子之间的电荷转移,导致离子键的形成之间的C原子和硅原子系统中,即共价键和离子键grapheneadsorbed Si原子系统中共存。剪切变形后,C和Si原子之间的电子转移无关紧要的波动,这是符合上面提到的事实,即剪切程度弱影响吸附系统的稳定性。
剪切变形对原子graphite-adsorption硅的能带结构
摘要能源乐队本征石墨烯和石墨烯吸附Si原子系统的计算和分析在MS8.0使用CASTEP模块。从图5可以看出,费米能级的本征石墨烯通过狄拉克点。石墨烯与金属属性。石墨烯吸附Si原子后,能带打开,因为硅原子的吸附增加之间的电子转移C原子和硅原子。此时,电子从价带跳转到传导带,导致传导带高能。在价带隙形成石墨烯是改变从非金属半导体。
图5。(一)本征石墨烯带;(b)石墨烯吸附Si原子乐队
图6显示了原子能Si吸附在石墨烯的能带结构有0%,1%,2%,3%,4%,和5%的剪切应变。表3显示的能带隙值Si原子吸附在本征石墨烯和石墨烯在不同的剪切变形。从图6和表3可以看出,当剪切形状变化至0%,graphene-adsorbed Si原子可以生成一个小带隙隙值0.051 eV。当剪切变形0% - -4%,吸附体系的能带隙增加剪切变形。4%,剪切变形时的带隙值吸附系统最多0.293 eV。内在体系的能带隙随剪切变形时的剪切变形的增加0% - -4%的范围。当剪切变形4%,内在系统是一个最大的带隙0.707 eV。与内在系统相比,吸附系统可以看出,Si原子吸附可以抑制石墨烯能带的剪切变形和开放。当剪切变形5%,吸附体系的能带隙减少,这表明剪切变形会影响C和Si原子之间的相互作用吸附系统。可以看出表4吸附系统的带隙值都小于0.3 eV,因此对应于窄带隙半导体。
表4:带隙值的Si原子吸附在本征石墨烯和石墨烯在不同的剪切变形
| 剪切变形 | 0% | 1% | 2% | 3% | 4% | 5% |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 内在的带隙(eV) | 0 | 0.15 | 0.332 | 0.504 | 0.707 | 0.452 |
| 吸附带隙(eV) | 0.05 | 0.102 | 0.153 | 0.196 | 0.293 | 0.285 |
图6。(f)剪切变形的0%,1%,2%,3%,4%,5%的石墨烯吸附Si原子带结构
图7是一个图显示本征石墨烯的带隙值和graphene-adsorbed Si原子系统剪切变形的函数。从图可以看出,本征石墨烯的能带会大幅度的增加线性剪切时的形状变成了0% - -4%。本征石墨烯减少线性剪切变形时的4% - -5%。对于吸附系统,当剪切变形0% - -4%,吸附体系的能带隙增加剪切变形。剪切变形时约0.5%,吸附系统的带隙值等于带隙的内在的价值体系。剪切形状变化0% - -0.5%时,吸附系统的带隙值大于带隙的内在的价值体系。更改为0.5% - -5%,剪切变形时的内在系统的带隙总是大于带隙的吸附系统。
图7。内在石墨烯(紫色的线)和石墨烯吸附Si原子(蓝线)变化与剪切变形
光学性质
为了研究不同的剪切变形的影响光学Si原子吸附在石墨烯的性质,系统的吸收系数和反射系数进行了计算。从图8可以看出,剪切形状变成了0%,和1%,2%的吸附系统停止的吸收光波长为7500纳米。剪切变形成了4%,5%吸附系统停止的吸收波长约为7800纳米的光。从图8 b可以看出,所有的吸附系统开始吸收光线的波长约47海里。从图8 c,可以看出吸附系统剪切形状显示3%最大吸收峰波长为210纳米。吸附体系表现出剪切变形的4%和5%的最大吸收峰波长约为230纳米。吸附体系的剪切变形2%展品最大吸收峰波长为250纳米。吸附系统剪切剖面显示3%最大吸收峰波长为270纳米。吸附体系的剪切形状0%展览的最大吸收峰波长为290纳米。吸收峰减少到3%,1%,0%(2%),4%,5%,剪切,导致蓝移。吸收峰的蓝移可能是由于能带变化引起的结构在连续剪切变形。吸附的硅原子电梯的C原子和碳碳键变得更长。在剪切变形相对较小,随着剪切变形的增加,碳碳键的长度变得更长,这将削弱碳碳之间的交互,使电子能级变得孤立,使吸收峰变化蓝色和峰值增加。
图8。graphene-adsorption Si原子系统的光学吸收系数和反射率为0%,1%,2%,3%,4%,5%剪切变形:(b)、(c)的放大图(一)在不同的波长;(e)、(f)的放大图(d)在不同的波长
从图8 d可以看出,剪切形状变化至0%,1%,2%,和3%的吸附系统停止光的反射波长为7500纳米。剪切形状改为4%,5%吸附系统阻止了光的反射波长为7700纳米。从图8 e可以看到,所有吸附系统开始反射光线的波长大约47海里。我们可以看到图8 f吸附系统的剪切形状变得展品最多3%反射峰值波长为250纳米。吸附体系的剪切变形4%展品最大反射峰值波长约为260纳米。吸附体系的剪切变形3%展品最大反射峰值波长为270纳米。吸附体系的剪切变形2%展品最大反射峰值波长约为280纳米。吸附体系的剪切变形1%显示的最大反射峰值波长为290纳米。吸附体系的剪切形状显示0%的最大反射峰值波长为310纳米。反射峰值降低了3%,0%,1%,2%,4%,和5%,导致蓝移。
根据采用的方法,结构稳定,graphene-adsorbed Si原子系统的电子结构和光学性质在不同剪切度进行了研究。电荷转移、带隙、系统金属型和半导体型过渡关系,光吸收系数和反射率的系统进行了分析。结果表明,剪切变形会影响石墨烯的结构稳定性,但剪切的程度对结构稳定性的影响不大。硅原子的吸附能打开石墨烯带隙。剪切变形后,吸附系统的带隙值随剪切变形的增加,和带隙值小于0.3 ev,对应于狭窄的带隙半导体。石墨烯吸附硅原子,因此石墨烯金属半导体。离子键和共价键graphene-adsorbed Si原子系统中共存。硅原子的吸附增加C和Si原子之间的电荷转移。graphene-adsorbed Si原子系统受到剪切变形与吸附系统相比有蓝移的剪切形状改为3%,光的反射和吸收系数的降低。
