文、编辑 | 鹏老
维度在材料研究中起着基础和重要的作用，这不仅指感兴趣的材料的结构特征，而且还决定了它们的许多特性。
石墨烯从块状石墨中成功分离出来，并发现了其特殊的物理特性，包括超高电子迁移率、异常量子霍尔效应和弹道载流子输运，这引起了各科学界对二维材料的浓厚兴趣。
二维材料是由二维(平面内)的周期单元组成的无限晶体结构，但在三维(平面外)具有原子厚度。二维材料的几个突出特性是众所周知的。
由于没有层间相互作用，垂直于二维材料平面方向的量子约束，将光致发光量子产率提高了约104倍。
这一因素促使电子、激子和声子具有更长的平均自由程，并控制无散射或扩散的弹道平面内输运，二维几何形状与当前电子工业中的器件设计和制造标准很好地兼容，具有很高的机械强度和灵活性。
因此，二维材料在电子、光电、传感、柔性器件等诸多领域具有巨大的应用潜力。
计算的细节
我们使用Quantum ESPRESSO的PWSCF代码获得了基于平方波基集和perdu - burke - ernzerhof Vanderbilt Ultrasoft伪势的第一性原理计算结果。
在Monkhorst-Pack方案中进行布里渊区采样，使用551 Γ-centred网格进行几何松弛。
我们在超级单体的布里渊区采用了991 k网格进行几何优化。
采用收敛波函数进行非自一致计算，选择密度更高点网格，在六边形布里渊区Γ- X- M -N -Γ方向计算得到非常光滑的带结构。
超级单体沿着z轴和单位胞体几何结构取向，在x和y方向上的真空空间为15，可以确保薄片与其周期性图像之间的相互作用可以忽略不计。
晶格和原子位置完全松弛，直到残余力小于04 10-2Ry bohr-1。平面波的截止能量设为30 Ry。
由于结构中类vw相互作用的影响不可忽视，我们在结构的计算中引入了Grimme’s D3校正项来校正色散。这种方法为层状结构提供了可靠的结果。
结果与讨论
1、几何和结构稳定性
在本节中，我们讨论了目前研究的纳米异质结构的结构、不同构型和结构稳定性。研究了CC:AlN:BN纳米异质结构的三种不同构型。
首先，我们在包含32个原子的二维石墨烯薄片上，用氮化铝和氮化硼层替换了碳层。
其次，我们将单层CC层替换为单层AlN原子，并保留两层完整的CC层，然后将下一层CC层替换为单层BN层，如图1(b)。
同样，在图1(c)的第三种构型中，AlN和BN层原子以相邻的模式取代了两个CC层。
从图1的观察中可以看出，优化后的所有结构都保持完整。
我们通过计算每个取代的形成能来评估CC:AlN:BN纳米异质结构的稳定性，以找到能量上最有利的构型，如
计算出的每个纳米异质结构的原子形成能见表1。结果表明，在不同浓度下，碳原子或氮化硼铝原子在纳米异质结构中形成团簇时，形成能较低。
因此，在新的二维纳米异质结构中，碳原子或硼和氮化铝原子占据簇状位置在能量上更有利。
此外，所有新制备的二维纳米异质结构均具有负的形成能，说明这些AlN:CC:BN、AlN:CC:CC:BN和CC:BN:AlN:CC结构具有热力学稳定性。
进一步，我们计算了AlN和BN薄片的每个原子的形成能分别为-1596和-1.473 eV。
对于所有设计的新型纳米异质结构，它们都远远大于表1中每个原子的形成能，表明新型纳米异质结构比它们更稳定。
在表3研究的AlN:CC:BN构型中，我们观察到C-C键和B-N键的长度略短，分别为1.395和1.390 Å，而石墨烯CC和氮化硼片的长度分别为1.421和1.451 Å。
这表明在AlN:CC:BN构型中键结更硬，并且在石墨烯和氮化硼片中，CC、BN和AlN的分离链比相同原子的更大簇更受青睐。
而在AlN:CC:CC:BN中，Al-N的键长为1.743 Å，比AlN薄片中的键长1.786 Å要短，因此键强表明BN和AlN的分离层状结构更稳定。
此外，CC:BN:AlN:CC结构中的C-C键、C-N键和B-N键比原始氮化硼、石墨烯和氮化铝二维结构中的B-N键、C-C键和Al-N键更硬，这是因为它们具有较强的共价键特性，从而保持了稳定性和刚性。
纳米异质结构具有优异的化学稳定性、高的各向异性和高的热稳定性和动力稳定性。
2、电子性质
AlN:CC:BN、AlN:CC:CC:BN、CC:BN和CC:BN:AlN:CC纳米异质结构的高对称k点电子能带结构如图2(a-c)所示。
原始AlN、BN和CC二维薄片的带隙分别为3.269、4.270和0.000 eV。计算得到AlN:CC:BN、AlN:CC:CC:BN和CC:BN:AlN:CC纳米异质结构的带隙分别为0.87、0.43和0.65 eV。
观测结果表明，图2(a)为直接带隙，图2(b和c)为m点处的间接带隙。这些纳米异质结构对于传感器和能源系统等电子设备的应用非常有用。
这种新型的二维纳米异质结构具有可调谐的带隙，在光学、光电和微机电系统等领域具有潜在的应用前景。
我们注意到，在石墨烯CC 2D层中掺入BN和AlN链降低了BN和AlN片的电子带隙。另一方面，它在二维CC:AlN:BN纳米异质结构中打开了间隙。
由于Al、B和N原子的价态与C原子的价态混合杂化而产生间隙。
带隙的计算值如表2所示。
详细分析了这些纳米异质结构中相互作用的性质和间隙的来源。我们分别绘制了AlN:CC:BN、AlN:CC:CC:BN和CC:BN纳米异质结构的DOS和投影DOS (p-DOS)，如图3(a-c)和图4(a-c)所示。
通过原子轨道的可视化，我们注意到空位附近的DOS本质上是由Al和N态的反键和成键与碳的pz态杂化而产生的pz特征。
由于纳米异质结构中的硼原子，观察到类似的杂化状态。由于这种杂化而产生的能隙的位置是非常关键的，当用不同覆盖或构型的AlN或BN掺杂CC时，能隙发生在EF处。
为了本研究的目的，图(3和4)仅显示了纳米异质结构构型对电子的总自旋极化态和部分自旋极化态的正贡献。
为了充分理解原子轨道对纳米异质结构构型电子态密度(DOS)的贡献，图5在同一张图中显示了新型杂化二维三元纳米异质结构的DOS和TDOS(见图6(a - c))是纳米异质结构费米能级设置为零时的总电子态密度(t-DOS)。
3、电荷密度
图7中的电荷密度图显示，氮、硼、铝和碳原子之间的电荷分布均匀，表明发生了显著的化学相互作用。
在电荷分布方面，氮和碳原子之间的电负性值是均匀的，分别为3.04和2.55。
铝和硼原子之间的电荷分布也很好，因为它们的电负性值相似，分别为1.61和2.04。
图4的PDOS表明，碳原子、硼原子、铝原子和氮原子的p轨道都对总态密度有显著贡献。
其原因可以追溯到图7中的电荷密度图。图中显示碳和氮原子周围的电荷密度较高。这显然是由于氮与碳具有相当的电负性值。因此，碳原子和氮原子会吸引更多的电子。
4、光学性质计算紫外光吸收
图8(a - c)为计算得到的(a) AlN:CC:BN、(b) AlN:CC:CC:BN和(c) CC:BN:AlN:CC纳米异质结构构型的各向异性光吸收光谱。
纳米异质结构在平行场方向和垂直场方向上对可见光和紫外频率都有吸收。在纳米异质结构的光吸收光谱中，平行场方向和垂直场方向之间存在较大的各向异性。
对于AlN:CC:BN，光子能量低于5.58 eV和高于7.35 eV的红外和可见光频率，纳米异质结构对场的面内方向和面外方向的光吸收都可以忽略不计。
该纳米异质结构材料的外平面紫外吸收峰在光子能量为6.80 eV时方向最强，即垂直方向。
在AlN:CC:CC:BN纳米异质结构中，光子能量低于5.71 eV和高于7.08 eV的红外和可见光频率，在这两种情况下，纳米异质结构的光吸收都可以忽略不计。
该纳米异质结构材料在面外方向紫外区光子能量为6.12 eV处表现出最强的吸收峰。
对于CC:BN:AlN:CC纳米异质结构，光子能量低于5.85 eV和高于7.21 eV的红外和可见光频率，纳米异质结构在场的面内和面外方向上的光吸收都可以忽略不计。
该纳米异质结构材料在面外方向紫外区光子能量为6.26 eV处表现出最强的吸收峰。
这些具有高各向异性和高稳定性的二维纳米异质结构可以开辟一个新的时代。光电技术由于其方向依赖和频率依赖的特性。
由于其各向异性，这些具有多种特性和特征的低对称系统可以成为频率和方向相关器件的解决方案。
实验结论
本文描述了DFT在设计新型纳米异质结构中的应用。我们研究了由二维石墨烯、氮化铝和氮化硼组成的新型二维纳米异质结构的基态结构、电子和光学性质。
我们通过计算不同纳米异质结构的形成能来讨论其稳定性，研究了CC:AlN:BN纳米异质结构的三种不同掺杂模式。
计算得到新型纳米异质结构的带隙分别为0.87、0.43和0.65 eV。
发现这些新型杂化二维纳米异质结构具有直接和间接带隙。
它们具有可调谐的带隙，在纳米级半导体和光电子器件，特别是光学，光电和微机电系统中具有潜在的应用。
有了这些带隙调谐纳米异质结构，人们可以期待B、C、N、al基纳米异质结构的性能取向设计，以满足光学、光电、成像、传感和其他电子应用领域对未来高性能器件日益增长的需求。
这些结果可能为实际工程应用提供指导，特别是在调整二维材料的带隙方面。最后，我们的结果有助于解释杂化二维纳米材料的形成。
这种新形式的杂化二维材料促进了带隙工程和应用的发展，特别是在纳米电子和纳米光学领域。
[2]F.P. Bundy, r.h.w Jr.，六方氮化硼直接转化成致密态，化学学报。物理学38(1963)1144-1149。
我们的案例研究可以为实业家和学术科学家在新材料开发方面提供一些指导。
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