顧利萍，于海林

（常熟理工學(xué)院a.物理與電子工程學(xué)院；b.江蘇省新型功能材料重點(diǎn)建設(shè)實(shí)驗(yàn)室，江蘇常熟215500）

C2N納米帶的磁性和電子特性

顧利萍a，b，于海林a，b

（常熟理工學(xué)院a.物理與電子工程學(xué)院；b.江蘇省新型功能材料重點(diǎn)建設(shè)實(shí)驗(yàn)室，江蘇常熟215500）

采用基于密度泛函理論的第一性原理計(jì)算對C2N納米帶的磁性和電子特性進(jìn)行了研究.對寬度最小的zigzag類型的納米帶，考慮了邊緣原子的無H飽和（ZCNNR）、部分H飽和（ZCNNR-H）和完全飽和（ZCNNR-2H）3種情況.通過對其磁性和電子特性的分析發(fā)現(xiàn)，ZCNNR和ZCNNR-H的單胞磁矩分別為12 μB和4 μB，并表現(xiàn)出自旋半導(dǎo)體的特性，而ZCNNR-2H表現(xiàn)出非磁的半導(dǎo)體性質(zhì).進(jìn)一步通過對自旋電荷密度的分析發(fā)現(xiàn)，其磁性和電子特性與邊緣的N原子的H飽和密切相關(guān).

第一性原理計(jì)算；磁性；能帶；態(tài)密度

1　引言

二維材料由于其具有非常奇異的電子特性、磁性和力學(xué)特性，因而近年來受到廣泛的關(guān)注［1-3］.最早發(fā)現(xiàn)的二維材料為Graphene，即石墨的單原子層結(jié)構(gòu)，其具有超高的電導(dǎo)率和熱導(dǎo)率.然而，由于Graphene在費(fèi)米面沒有帶隙存在，導(dǎo)致其在場效應(yīng)晶體管和光電器件中的應(yīng)用受到限制.因此，探索新的具有適當(dāng)帶隙的二維半導(dǎo)體材料是一件非常有意義的工作.最近，這一方面的研究工作取得了重要突破.一種全新的二維材料，多孔的C2N（C2N-h2D）成功制備出來［4］.C2N-h2D有嚴(yán)格的二維晶體結(jié)構(gòu)，并且具有1.96 eV的直接帶隙.更有趣的是基于C2N-h2D制備的場效應(yīng)晶體管，其開/關(guān)比高達(dá)107，這意味著C2N-h2D在電子器件和光電子器件中具有重大的應(yīng)用價值.

自從C2N-h2D成功制備以來，吸引了許多研究工作的興趣.Xu［5］等對C2N-h2D的氣體分子的透過性進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)H2分子的透過性要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于大氣中的其他氣體分子，表明其在氫分離方面有重要的潛在應(yīng)用.Yang［6］等對幾個原子層厚的C2N-h2D的電子特性進(jìn)行了研究.Sahin［7］等研究了C2N-h2D的結(jié)構(gòu)、聲子和熱學(xué)特性.Kang［8］等研究了由graphene和C2N-h2D組成的異質(zhì)結(jié)的電子結(jié)構(gòu)特性.Yang［9］等研究了應(yīng)變對C2N-h2D的電子結(jié)構(gòu)和光學(xué)特性的影響.Senger［10］等對二維多孔晶體C2X（X=N，P or As）的結(jié)構(gòu)、電子特性和力學(xué)性能進(jìn)行了研究.最近，Zhao等的結(jié)果表明C2N-h2D在輕元素的同位素，如3He/4He等的分離上有重要的研究價值.

從應(yīng)用的角度來看，理解和掌握C2N-h2D納米帶的磁性和電子特性是非常必要的，因?yàn)榧{米帶的形狀和邊緣原子懸掛健的飽和程度對其性能有重要的影響.然而，到目前為止還沒有關(guān)于C2N-h2D納米帶的磁性和電子特性的研究報道.出于對C2N-h2D納米帶的物理特性理解的需要，以及其在工程技術(shù)中的潛在應(yīng)用，在本工作中我們利用第一性原理計(jì)算對zigzag類型的C2N-h2D納米帶（ZCNNRs）的磁性和電子特性進(jìn)行計(jì)算.我們發(fā)現(xiàn)ZCNNRs的磁性和電子特性與其邊緣原子懸掛健的飽和程度密切相關(guān).同時也研究了外加電場對ZCNNRs帶隙的調(diào)控.

2　計(jì)算模型

C2N-h2D的晶體結(jié)構(gòu)如圖1所示，為二維的多孔結(jié)構(gòu)，有嚴(yán)格的二維周期性.最小寬度的ZCNNR如圖1（b）中的虛線所示.考慮到ZCNNRs構(gòu)建的時候，其邊緣的C-N健會斷裂，導(dǎo)致其邊緣原子會產(chǎn)生懸掛健，因而在本工作中也對邊緣原子用H飽和的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究.對于ZCNNRs，其邊緣有兩種類型的N原子，一種是和一個C原子成鍵（N1），另一種是和兩個C原子成鍵（N2），如圖2（a）所示.N1原子有兩個懸掛鍵，因此，本工作中考慮的兩種H飽和方式，如圖2（b）和（c）所示.

圖1　C2N-h2D的結(jié)構(gòu)示意圖（a）C2N-h2D的原胞結(jié)構(gòu)；（b）C2N-h2D的二維周期性結(jié)構(gòu)，虛線所示為所選取的納米帶的示意圖

圖2　最小寬度的ZCNNRs結(jié)構(gòu)示意圖（a）沒有H飽和的ZCNNR，（b）N1有一個H飽和的ZCNNR-H，（c）N1有兩個H飽和的ZCNNR-2H

3　計(jì)算方法

本工作的所有計(jì)算均采用基于第一性原理的VASP軟件包進(jìn)行.采用的交換-關(guān)聯(lián)泛函為廣義梯度近似，所選用的勢文件為Perdew-Burke-Ernzerhof勢.平面波的階段能選取500 eV，布里淵區(qū)K點(diǎn)的采樣使用Monkhorst-Pack方法，并取為1×1× 15.計(jì)算中所使用超胞的真空層厚度為20 ?，足以避免由于周期性所帶來的相鄰單胞之間的相互作用.在我們的計(jì)算中電子步的收斂標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置為10-6eV，離子收斂標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置為0.005 eV/?.

4　結(jié)果分析

優(yōu)化以后的ZCNNRs結(jié)構(gòu)如圖2所示，其邊緣的C-N鍵、C-C（1），C-C（2）鍵和C-C-C（α）以及C-NC（β）角（對應(yīng)圖1（a）中的值）列于表1中.從表1中我們發(fā)現(xiàn)這些納米帶邊緣原子形成的鍵和角相對二維C2N-h2D片的值變化都比較小，變化最大的為ZCNNR，其鍵長和鍵角的相對最大變化值為0.061 ?和7.8°.我們的計(jì)算結(jié)果表明這些納米帶具有很好的穩(wěn)定性.

C2N-h2D的響應(yīng)值和納米帶單胞的磁矩也列在表1中.

表1　優(yōu)化以后的C-N、C-C（1）、C-C（2）鍵的鍵長及C-C-C（α）和C-N-C（β）角

計(jì)算得到的這些納米帶的磁矩也列于表1中.從表1中我們發(fā)現(xiàn)其磁矩和邊緣原子的飽和程度密切相關(guān).對于ZCNNR結(jié)構(gòu)，其邊緣有4個N1原子核，4個未飽和C原子，其未成對的電子為12個，對應(yīng)其單胞磁矩為12 μB.對于ZCNNR-H結(jié)構(gòu)，其邊緣的4個C原子被H原子飽和，同時4個N1原子被4個H原子飽和，這樣只有4個未成對電子，對應(yīng)的磁矩恰好為4 μB.而ZCNNR-2H結(jié)構(gòu)，邊緣所有的未成對電子都被H原子飽和，其對應(yīng)的磁矩恰好為0.為了進(jìn)一步理解納米帶的磁性特性，我們計(jì)算了自旋電荷密度的分布，如圖2所示.從圖中可以看出，納米帶的磁矩基本上完全由邊緣未飽和原子決定.

為了進(jìn)一步理解這些納米帶的電子結(jié)構(gòu)特性，我們計(jì)算了其能帶和相應(yīng)的態(tài)密度，如圖3-圖5所示.從圖3和圖4可以看出，ZCNNR和ZCNNR-H納米帶均表現(xiàn)出自旋半導(dǎo)體特性，其帶隙分為0.46 eV和0.14 eV.而ZCNNR-2H自旋向上和向下的能帶完全重合，表現(xiàn)出經(jīng)典的半導(dǎo)體特性，其帶隙為1.38 eV.

圖3　ZCNNR納米帶的能帶和相應(yīng)的態(tài)密度

圖4　ZCNN-H納米帶的能帶和相應(yīng)的態(tài)密度

圖5　ZCNN-2H納米帶的能帶和相應(yīng)的態(tài)密度

為了探討決定其電子結(jié)構(gòu)特性的因素，我們對這些納米帶價帶頂和導(dǎo)帶底的能帶所對應(yīng)的電荷密度進(jìn)行了計(jì)算，結(jié)果如圖6-圖8所示.從圖6-圖8我們可以發(fā)現(xiàn)其導(dǎo)帶頂和價帶低均由邊緣的原子決定.因此，我們對邊緣原子的局域態(tài)密度進(jìn)行了計(jì)算，發(fā)現(xiàn)納米帶邊緣的N1和C原子的px軌道對其價帶頂和導(dǎo)帶底的貢獻(xiàn)最大.考慮到納米帶為一平面結(jié)構(gòu)，x方向垂直于納米帶表明，C原子和N之間以sp2方式成鍵，這樣導(dǎo)致px軌道對成鍵貢獻(xiàn)最小.因而費(fèi)米面附近的電子性質(zhì)由px軌道決定.

5　結(jié)論

在本工作中，我們利用第一性原理計(jì)算對zigzag類型的C2N納米帶的磁性和電子特性進(jìn)行了研究.計(jì)算結(jié)果表明C2N納米帶的磁性和納米帶邊緣原子的H飽和度密切相關(guān).對于沒有H飽和的納米帶，其單胞磁矩為12 μB，對于部分H飽和的納米帶，其單胞磁矩為4 μB，對于全部H飽和的納米帶，其單胞磁矩為0.從納米帶的能帶結(jié)構(gòu)特性來看，未飽和和部分飽和的納米帶為自旋半導(dǎo)體特性，其帶隙為0.46 eV和0.14 eV，而全部飽和的納米帶，為經(jīng)典的半導(dǎo)體性質(zhì)，其帶隙為1.38 eV.

圖6?。╝）ZCNNR納米帶導(dǎo)帶底和價帶頂所對應(yīng)的電荷密度，（c）-（d）為邊緣C和N1、N2原子的態(tài)密度

圖7　（a）ZCNNR-H納米帶導(dǎo)帶底和價帶頂對應(yīng)的電荷密度，（c）-（d）為邊緣C和N1、N2原子的態(tài)密度

圖8?。╝）ZCNNR-2H納米帶導(dǎo)帶底和價帶頂對應(yīng)的電荷密度，（c）-（d）為邊緣C和N1、N2原子的態(tài)密度

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Magnetic and Electronic Properties of C2N nanoribbons

GU Lipinga，b，YU Hailina，b
（a.School of Physics and Electronic Engineering；b.Jiangsu Laboratory of Advanced Functional Materials，Changshu Institute of Technology，Changshu 215500，China）

The magnetic and electronic properties of C2N have beenstudied using first-principles calculations based on density functional theory.For the zigzag nanoribbons with thesmallest band width，three kinds of nanoribbons，i.e.without H passivation（ZCNNR），with one H passivation（ZCNNR-H）and with two H passivation（ZCNNR-2H）for edge N atom have been considered.For ZCNNR and ZCNNR-H，the magnetic moments are 12μB and 4μB respectively，and have presented thespinsemiconductor properties，while for ZCNNR-2H，itshows non magnetic property.Based on the analysis ofspin electronic density，the magnetic and electronic properties of these nanoribbons are closely related to the passivation of edge N atoms.

first-principles；magnetic；bandstructure；density ofstates

O482.6

A

1008-2794（2015）04-0018-05

2016-04-02

國家自然科學(xué)基金理論物理專項(xiàng)基金項(xiàng)目“鈣鈦礦鐵電體-半導(dǎo)體硅異質(zhì)結(jié)的理論研究”（11347023）

于海林，副教授，博士，研究方向：計(jì)算物理、低維材料物理與器件，E-mail：yuhailin_79@cslg.cn.