硅烯与二元硅基纳米体系的结构和电子性质的理论研究

Silicene is a two-dimensional Si honeycomb lattice, which has been synthesized recently. It has been found that the free-standing silicene possesses a Dirac-like electronic structure akin to graphene. However, in the experiments, complex buckling structures have been observed in silicene sheets due to the influences of substrates, which break the Dirac electronic states. Besides that, the silicene sheets could be easily transformed into bulk structures, which destroy the two-dimensional characteristics of silicene. In this project, we perform a theoretical investigation on the silicene and binary Si-based nanostructures. (1) We will explore the possible semiconducting substrates for silicene, obtain versatile buckling structures of the supported silicene sheets, and find out effective approaches to preserving their Dirac-like electronic properties. (2) A global structural optimization is adopted to search for the ground state structures of binary Si-based nanosheets, from which we hope to find the nanomaterials with similar properties to silicene and graphene systems. (3) We will show the modulations of electronic properties by the underlying substrates, chemical functionalizations, intrinsic defects, and electric fields for silicene nanomaterials, and reveal the physical mechanisms for the variations. (4) Regarding to the buckled nanostructures, the theoretical models and methods will be developed to extend the research field of silicene systems, which facilates the design of Si-based nanodevices with promising electronic properties. The results of our research will be helpful for the development of silicon nano-electrics.

硅烯是近年来新发现的二维蜂窝状硅纳米结构，其在孤立条件下具有和石墨烯相似的狄拉克电子性质。但是，实际生长出的硅烯会受基底影响产生复杂的起伏结构，从而破坏了狄拉克电子态；而且硅烯化学性质活泼，容易转变为体结构而失去二维电子特性。因此，本项目将对硅烯及二元硅化物纳米结构开展针对性的理论研究：(1)通过对硅烯半导体性基底的探索，展现硅烯起伏结构的多样性和有序性，发现合适的基底材料有效保持其狄拉克电子态；(2)利用全面的结构搜索和组分预测，发现稳定的二元硅基纳米结构，找寻和硅烯、石墨烯相媲美的纳米材料；(3)研究实际条件下硅纳米材料的物性特征，展现沉积基底、基团修饰、内部缺陷、外加电场等对于电子性质的影响,发现其物性的变化规律和调控机制；(4)发展新的有效模型和计算方法，扩展硅基纳米材料的研究领域，设计具有优良物理化学特性的纳米器件。本项目的研究将为硅纳米电子学的发展和应用提供可靠的理论基础。

继石墨烯之后，硅烯与其相似结构的锗烯、锡烯等纳米材料成为低维物理的研究热点。在本项目中，我们采用第一性原理计算与理论模型相结合的方式，研究了硅烯及相关纳米材料的结构与物性特征。主要成果有：发现多孔硅/锗烯上的狄拉克电子特性会被反铁磁性半导体所代替，而且在多孔锗烯上出现了新型的半起伏结构特征；发现与石墨烯不同，二维五边形硅烯平面不能稳定存在，利用表面氢化的方式可使其具备良好的结构稳定性，相应的氢化五边形硅烯纳米带上出现了双极性半导体特征；预测铟化硒/碲化镓层状结构可成为锡烯/碘化锡烯的基底材料，其半导体物性可保持锡基材料的狄拉克电子特性；研究了二元硅锡/锗锡烯的电子性质，发现其呈现为有质量的狄拉克电子特征，相应氟化修饰后的结构会是拓扑绝缘体材料，还发现硅锡/锗锡烯的声子热导率较低，其热电优值较佳；研究了硅/石墨烯与砷/锑烯的双层结构，发现其会形成金属-半导体接触，具备可变的肖特基势垒；发现氢氧硅烯的稳定构型为倾斜的氧桥接氢化硅烷结构，其具有负泊松比，预测的电子性质与实验结果相吻合；研究了二元铍化碳/硅/锗纳米平面，发现其都是反铁磁性半导体，相应纳米带的带隙也不受带宽影响，可与二硫化钼组成高效的太阳能电池材料；进一步研究了与其等电子体化的三元铍化硼氮/碳硅等纳米结构，发现均可通过电荷掺杂转化为磁性半金属；研究了哑铃状硅烯表面氢化后的电子性质，发现其载流子迁移率呈现显著的各向异性，合适的带边位置使其成为一类高效的太阳能电池材料。此外，我们还研究了黑磷化的砷烯、金属双氮化物等实验上新发现的纳米材料。本项目的成果发表为科研论文20篇，包括JMCC6篇、JPCC4篇、PCCP4篇，其中3篇论文被选为封(底)面论文，1篇JPCM18年被IOP评为近三年物理领域引用前1%的论文。通过本项目的研究，我们发现硅烯与其相关的二元化合物纳米材料具有丰富可变的物理性质，能通过结构与组分的变化来调控其电子性质，从而实现功能化的纳米材料设计与应用。