碳化硅纳米条带的电子结构调控

随着对新颖低维结构材料-石墨烯(Graphene)研究的深入,人们对石墨烯结构碳化硅(Graphene-like SiC)的研究揭开了序幕。实验上已经成功合成SiC纳米管,采用纵向切割碳纳米管制备石墨烯纳米带的类似方法,纵向切割SiC纳米管也可得到具有特定宽度的石墨烯结构SiC纳米带(简称SiC纳米带)。碳和硅都是IV 主族元素,但由于碳较硅具有相对高的电负性,电荷会从硅原子转移到碳原子。因此,SiC纳米带可能拥有与石墨烯纳米带不同、新颖的物理与化学特性引了人们极大的研究兴趣。

安徽大学娄平教授长期从事碳化硅类石墨烯纳米条带的研究。近期,娄教授对锯齿边SiC纳米带非磁性杂质[硼(B)或氮(N)] 化学替代效应“绘制”了一幅完整、清晰的图谱。娄教授表示,在完成之前一篇发表论文(Boron and nitrogen substitutional impurities inducing magnetic and half-metallic behavior in zigzag silicon carbon nanoribbons)时就发现B(N)在SiC 类石墨烯纳米条带掺杂呈现与在类石墨烯掺杂不同行为,特别是引起局部畸变,因而决定从不同视角进一步研究其机理。

在该项理论研究中,娄平教授采用第一性原理计算,系统地研究了在不等价点置换单个非磁性杂质[硼(B)或氮(N)] 锯齿边碳化硅纳米带电和磁结构,局部结构畸变,以及电子自旋输运性质。他揭示通过控制杂质位,而不用施加任何电场,可以在B和N掺杂的锯齿边碳化硅纳米带实现丰富电和磁结构,如,半导体,半金属,和金属,以及亚铁磁与铁磁的转变。有趣的是,单个B替代硅原子或单个N替代碳原子的锯齿边碳化硅纳米带都具有100%自旋极化,呈现完美的自旋阀行为。他发现,除边缘碳置换点,B在其置换点会抑制边缘硅原子局域磁矩,而增强边缘碳原子局域磁矩。相反,除边缘硅与其最近邻硅置换点,N在其置换点会增强边缘硅原子局域磁矩,而抑制边缘碳原子局域磁矩。他还发现,当杂质原子替代硅原子,杂质原子的周围发生明显的局部结构畸变,而杂质原子取代碳原子,杂质原子的周围只发生微小的局部结构畸变。此外,随着杂质原子位置从边缘向中心移动,杂质原子周围的局部结构畸变增大。最后,基于能带结构,投影态密度,原子电负性与半径,以及Mulliken电荷分析,娄平教授对产生上述掺杂行为的起因,从物理与化学两个视角给出了清晰的解释。

徐 广臣 About 徐 广臣

MaterialsViewsChina专栏作者,同时为WILEY出版集团旗下的材料科学类期刊提供作者服务。

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