文、編輯 | 鵬老
次元在材料研究中起着基礎和重要的作用，這不僅指感興趣的材料的結構特征，而且還決定了它們的許多特性。
石墨烯從塊狀石墨中成功分離出來，并發現了其特殊的實體特性，包括超高電子遷移率、異常量子霍爾效應和彈道載流子輸運，這引起了各科學界對二維材料的濃厚興趣。
二維材料是由二維(平面内)的周期單元組成的無限晶體結構，但在三維(平面外)具有原子厚度。二維材料的幾個突出特性是衆所周知的。
由于沒有層間互相作用，垂直于二維材料平面方向的量子限制，将光緻發光量子産率提高了約104倍。
這一因素促使電子、激子和聲子具有更長的平均自由程，并控制無散射或擴散的彈道平面内輸運，二維幾何形狀與目前電子工業中的器件設計和制造标準很好地相容，具有很高的機械強度和靈活性。
是以，二維材料在電子、光電、傳感、柔性器件等諸多領域具有巨大的應用潛力。
計算的細節
我們使用Quantum ESPRESSO的PWSCF代碼獲得了基于平方波基集和perdu - burke - ernzerhof Vanderbilt Ultrasoft僞勢的第一性原理計算結果。
在Monkhorst-Pack方案中進行布裡淵區采樣，使用551 Γ-centred網格進行幾何松弛。
我們在超級單體的布裡淵區采用了991 k網格進行幾何優化。
采用收斂波函數進行非自一緻計算，選擇密度更高點網格，在六邊形布裡淵區Γ- X- M -N -Γ方向計算得到非常光滑的帶結構。
超級單體沿着z軸和機關胞體幾何結構取向，在x和y方向上的真空空間為15，可以確定薄片與其周期性圖像之間的互相作用可以忽略不計。
晶格和原子位置完全松弛，直到殘餘力小于04 10-2Ry bohr-1。平面波的截止能量設為30 Ry。
由于結構中類vw互相作用的影響不可忽視，我們在結構的計算中引入了Grimme’s D3校正項來校正色散。這種方法為層狀結構提供了可靠的結果。
結果與讨論
1、幾何和結構穩定性
在本節中，我們讨論了目前研究的納米異質結構的結構、不同構型和結構穩定性。研究了CC:AlN:BN納米異質結構的三種不同構型。
首先，我們在包含32個原子的二維石墨烯薄片上，用氮化鋁和氮化硼層替換了碳層。
其次，我們将單層CC層替換為單層AlN原子，并保留兩層完整的CC層，然後将下一層CC層替換為單層BN層，如圖1(b)。
同樣，在圖1(c)的第三種構型中，AlN和BN層原子以相鄰的模式取代了兩個CC層。
從圖1的觀察中可以看出，優化後的所有結構都保持完整。
我們通過計算每個取代的形成能來評估CC:AlN:BN納米異質結構的穩定性，以找到能量上最有利的構型，如
計算出的每個納米異質結構的原子形成能見表1。結果表明，在不同濃度下，碳原子或氮化硼鋁原子在納米異質結構中形成團簇時，形成能較低。
是以，在新的二維納米異質結構中，碳原子或硼和氮化鋁原子占據簇狀位置在能量上更有利。
此外，所有新制備的二維納米異質結構均具有負的形成能，說明這些AlN:CC:BN、AlN:CC:CC:BN和CC:BN:AlN:CC結構具有熱力學穩定性。
進一步，我們計算了AlN和BN薄片的每個原子的形成能分别為-1596和-1.473 eV。
對于所有設計的新型納米異質結構，它們都遠遠大于表1中每個原子的形成能，表明新型納米異質結構比它們更穩定。
在表3研究的AlN:CC:BN構型中，我們觀察到C-C鍵和B-N鍵的長度略短，分别為1.395和1.390 Å，而石墨烯CC和氮化硼片的長度分别為1.421和1.451 Å。
這表明在AlN:CC:BN構型中鍵結更硬，并且在石墨烯和氮化硼片中，CC、BN和AlN的分離鍊比相同原子的更大簇更受青睐。
而在AlN:CC:CC:BN中，Al-N的鍵長為1.743 Å，比AlN薄片中的鍵長1.786 Å要短，是以鍵強表明BN和AlN的分離層狀結構更穩定。
此外，CC:BN:AlN:CC結構中的C-C鍵、C-N鍵和B-N鍵比原始氮化硼、石墨烯和氮化鋁二維結構中的B-N鍵、C-C鍵和Al-N鍵更硬，這是因為它們具有較強的共價鍵特性，進而保持了穩定性和剛性。
納米異質結構具有優異的化學穩定性、高的各向異性和高的熱穩定性和動力穩定性。
2、電子性質
AlN:CC:BN、AlN:CC:CC:BN、CC:BN和CC:BN:AlN:CC納米異質結構的高對稱k點電子能帶結構如圖2(a-c)所示。
原始AlN、BN和CC二維薄片的帶隙分别為3.269、4.270和0.000 eV。計算得到AlN:CC:BN、AlN:CC:CC:BN和CC:BN:AlN:CC納米異質結構的帶隙分别為0.87、0.43和0.65 eV。
觀測結果表明，圖2(a)為直接帶隙，圖2(b和c)為m點處的間接帶隙。這些納米異質結構對于傳感器和能源系統等電子裝置的應用非常有用。
這種新型的二維納米異質結構具有可調諧的帶隙，在光學、光電和微機電系統等領域具有潛在的應用前景。
我們注意到，在石墨烯CC 2D層中摻入BN和AlN鍊降低了BN和AlN片的電子帶隙。另一方面，它在二維CC:AlN:BN納米異質結構中打開了間隙。
由于Al、B和N原子的價态與C原子的價态混合雜化而産生間隙。
帶隙的計算值如表2所示。
詳細分析了這些納米異質結構中互相作用的性質和間隙的來源。我們分别繪制了AlN:CC:BN、AlN:CC:CC:BN和CC:BN納米異質結構的DOS和投影DOS (p-DOS)，如圖3(a-c)和圖4(a-c)所示。
通過原子軌道的可視化，我們注意到空位附近的DOS本質上是由Al和N态的反鍵和成鍵與碳的pz态雜化而産生的pz特征。
由于納米異質結構中的硼原子，觀察到類似的雜化狀态。由于這種雜化而産生的能隙的位置是非常關鍵的，當用不同覆寫或構型的AlN或BN摻雜CC時，能隙發生在EF處。
為了本研究的目的，圖(3和4)僅顯示了納米異質結構構型對電子的總自旋極化态和部分自旋極化态的正貢獻。
為了充分了解原子軌道對納米異質結構構型電子态密度(DOS)的貢獻，圖5在同一張圖中顯示了新型雜化二維三元納米異質結構的DOS和TDOS(見圖6(a - c))是納米異質結構費米能級設定為零時的總電子态密度(t-DOS)。
3、電荷密度
圖7中的電荷密度圖顯示，氮、硼、鋁和碳原子之間的電荷分布均勻，表明發生了顯著的化學互相作用。
在電荷分布方面，氮和碳原子之間的電負性值是均勻的，分别為3.04和2.55。
鋁和硼原子之間的電荷分布也很好，因為它們的電負性值相似，分别為1.61和2.04。
圖4的PDOS表明，碳原子、硼原子、鋁原子和氮原子的p軌道都對總态密度有顯著貢獻。
其原因可以追溯到圖7中的電荷密度圖。圖中顯示碳和氮原子周圍的電荷密度較高。這顯然是由于氮與碳具有相當的電負性值。是以，碳原子和氮原子會吸引更多的電子。
4、光學性質計算紫外光吸收
圖8(a - c)為計算得到的(a) AlN:CC:BN、(b) AlN:CC:CC:BN和(c) CC:BN:AlN:CC納米異質結構構型的各向異性光吸收光譜。
納米異質結構在平行場方向和垂直場方向上對可見光和紫外頻率都有吸收。在納米異質結構的光吸收光譜中，平行場方向和垂直場方向之間存在較大的各向異性。
對于AlN:CC:BN，光子能量低于5.58 eV和高于7.35 eV的紅外和可見光頻率，納米異質結構對場的面内方向和面外方向的光吸收都可以忽略不計。
該納米異質結構材料的外平面紫外吸收峰在光子能量為6.80 eV時方向最強，即垂直方向。
在AlN:CC:CC:BN納米異質結構中，光子能量低于5.71 eV和高于7.08 eV的紅外和可見光頻率，在這兩種情況下，納米異質結構的光吸收都可以忽略不計。
該納米異質結構材料在面外方向紫外區光子能量為6.12 eV處表現出最強的吸收峰。
對于CC:BN:AlN:CC納米異質結構，光子能量低于5.85 eV和高于7.21 eV的紅外和可見光頻率，納米異質結構在場的面内和面外方向上的光吸收都可以忽略不計。
該納米異質結構材料在面外方向紫外區光子能量為6.26 eV處表現出最強的吸收峰。
這些具有高各向異性和高穩定性的二維納米異質結構可以開辟一個新的時代。光電技術由于其方向依賴和頻率依賴的特性。
由于其各向異性，這些具有多種特性和特征的低對稱系統可以成為頻率和方向相關器件的解決方案。
實驗結論
本文描述了DFT在設計新型納米異質結構中的應用。我們研究了由二維石墨烯、氮化鋁和氮化硼組成的新型二維納米異質結構的基态結構、電子和光學性質。
我們通過計算不同納米異質結構的形成能來讨論其穩定性，研究了CC:AlN:BN納米異質結構的三種不同摻雜模式。
計算得到新型納米異質結構的帶隙分别為0.87、0.43和0.65 eV。
發現這些新型雜化二維納米異質結構具有直接和間接帶隙。
它們具有可調諧的帶隙，在納米級半導體和光電子器件，特别是光學，光電和微機電系統中具有潛在的應用。
有了這些帶隙調諧納米異質結構，人們可以期待B、C、N、al基納米異質結構的性能取向設計，以滿足光學、光電、成像、傳感和其他電子應用領域對未來高性能器件日益增長的需求。
這些結果可能為實際工程應用提供指導，特别是在調整二維材料的帶隙方面。最後，我們的結果有助于解釋雜化二維納米材料的形成。
這種新形式的雜化二維材料促進了帶隙工程和應用的發展，特别是在納米電子和納米光學領域。
[2]F.P. Bundy, r.h.w Jr.，六方氮化硼直接轉化成緻密态，化學學報。實體學38(1963)1144-1149。
我們的案例研究可以為實業家和學術科學家在新材料開發方面提供一些指導。
參考文獻
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