О влиянии бора на структурные характеристики силицена

О ВЛИЯНИИ БОРА НА СТРУКТУРНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ СИЛИЦЕНА

,

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки

Вычислительный центр Дальневосточного отделения Российской академии наук, г. Хабаровск

E-mail: [e-mail]

Ab initio методом рассчитано влияние трехвалентного бора на ближайшее атомное окружение в силицене при замещении четырехвалентного кремния. Показано, как изменяются такие структурные характеристики силицена как длина связи, угол связи и гофрированность при модифицировании бором. Кроме того, исследовано, как приложенное внешнее давление и легирование влияют на атомную структуру силицена в так называемых направлениях деформации «кресло» и «зигзаг».

Введение

В последние годы все более широкое внимание исследователей привлекают так называемые 2D материалы (графен, силицен [1]). Необычные электронные свойства данных материалов обусловлены особенностью их зонной структуры. Что позволяет успешно использовать графен и силицен в спинтронике. Внедрение бора в структуру силицена приводит к появлению перехода «полупроводник-металл» в материале из-за появления полузаполненных примесных уровней [2] и изменению структурных свойств материала. Поэтому в данной работе мы рассматриваем влияние атомов бора на структурные свойства слицена.

Детали расчета

Построение атомных моделей чистого и модифицированного бором силицена, а также расчет их полных энергий выполнялись с использованием программного пакета Quantum ESPRESSO [3], с применением высокопроизводительных вычислений (вычислительный кластер ВЦ ДВО РАН). PBE (Perdew-Burke-Ernzerhof) псевдопотенциалы для атомов кремния и бора, в обобщенно–градиентном приближении (GGA), взяты из пакета Quantum ESPRESSO. Расчет элементарной ячейки объемного кремния производился с учетом 8×8×8 k–точек. При расчете характеристик силицена использовался специальный набор k–точек 8×8×1 с энергией обрезания плоских волн 489.81 эВ. Равновесная модель силицена получалась путем свободной релаксации всех атомов структуры. Для этого модель помещалась в ячейку объемом 15.46726×15.46726×10.48962 Å3. В силу трансляционной симметрии вдоль направлений a и b структура силицена считалась бесконечной, а вдоль направления c фиксировался один гофрированный слой. Атомная релаксация проводилась до значения межатомных сил 0.026 эВ/Å.

Результаты расчетов

Во-первых, необходимо было построить равновесные атомные модели чистого и модифицированного бором силицена. Для этого изначально нужно было определиться с тем, какой вариант размещения атома бора (адсорбция или абсорбция) по отношению к поверхности силицена является энергетически более выгодным. Так согласно результатам полученным авторами статьи [4], энергия связи при замещении атома кремния бором в силицене составила -6.21 эВ против -5.85 эВ при адсорбции (положение «valley»). Причем авторами статьи [4] были изучены четыре возможных положения атома-адсорбата бора («valley», «bridge», «hollow» and «hill») и энергетически более выгодным оказалось положение «valley». Поэтому нами было решено изучить то, как изменяется атомная структура силицена именно при замещении атомов кремния бором. Равновесная атомная модель силицена представлена на рисунке 1a. Сразу же хотелось бы отметить, что в рамках данного исследования мы не будем подробно останавливаться на описании тестирования псевдопотенциалов для атома кремния, так как в предыдущей нашей статье [5], в которой изучалось влияние азота на упругие свойства силицена, все это уже достаточно подробно приведено.

Внедрение атома B в структуру силицена (в концентрации 1/32) приводит к ее сильному искажению. Бор как бы стягивает на себя соседние атомы кремния. При этом, длина связи Si­B существенно уменьшается в среднем до значения 1.96 Å. Несмотря на то, что для чистого силицена средняя d(Si­Si) составляла 2.28 Å (рисунок 1b) при перепаде высот между слоями 0.44 Å (рисунок 1с). Эти значения очень близки или совпадают с данными других источников [4, 6, 7,]. Внутренний угол для силицена модифицированного примесным атомом бора θSiBSi существенно увеличился и составил примерно 120°. В чистом силицене угол θSiSiSi в среднем равнялся 116.4° (рисунок 1b). Что также неплохо согласуется с результатами работ других авторов [4, 6].

Рис. 1. Структурные характеристики силицена

Во-вторых, мы изучили, как приложенное внешнее давление влияет на атомную структуру силицена. Для этого раннее построенные нами атомные модели чистого и модифицированного бором силицена подвергались растяжению, сжатию от -2 до 2 ГПа вдоль двух взаимно перпендикулярных направлений деформации a и b, так называемых «кресло» и «зигзаг» (рисунок 1a) [8]. Здесь хотелось бы отметить, что атомная структура силицена имеет геометрическое подобие со слоем (110) в объемном кремнии. А направления деформации a и b совпадают с направлением [112] и [110] соответственно в объемном кремнии.

Интересным оказался тот факт, что несмотря на пропорциональное изменение длин связей d(Si­Si) и d(Si­B) в обеих моделях силицена при сжатии и растяжении, внутренний угол θSiBSi практически не изменялся и оставался примерно равным 120°. При этом внутренний угол θSiSiSi менялся в среднем от значения 114.4° при сжатии до 117.6° при растяжении.

Заключение

В данной работе с использованием методов теории функционала электронной плотности и псевдопотенциалов проведен расчет структурных характеристик чистого и легированного примесными атомами бора силицена. Показано, что длина связи Si­B существенно уменьшается в среднем до значения 1.96 Å, несмотря на то, что для чистого силицена средняя d(Si­Si) составляла 2.28 Å. Внутренний угол θSiBSi существенно увеличивается и составляет примерно 120°, в то время как угол θSiSiSi в среднем равнялся 116.4°. Таким образом, установлено, что замещение атома кремния бором в силицене в концентрации 1/32 приводит к его сильному структурному искажению.

Благодарности

Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта № 16-37-00195 мол_а. Расчеты произведены с использованием вычислительных кластеров ВЦ ДВО РАН (г. Хабаровск) и частично МГУ (г. Москва).

Л И Т Е Р А Т У Р А

1.  Huang S., Kang W., Yang L.. Electronic structure and quasiparticle bandgap of silicene structures. // Applied Physics Letters. – 2013. – № 000. – P. 133106-1-133106-5.

2.  Fu-bao Zheng et al. Novel electronic and magnetic properties in N or B doped silicene nanoribbons. // J. Mater. Chem. C. – 2013. – Vol. 1. – P. 2735-2743.

3.  Giannozzi P., Baroni S., Bonini N., Calandra M., Car R., Cavazzoni C., Ceresoli D., Chiarotti G. L., Cococcioni M., Dabo I., Dal Corso A., de Gironcoli S., Fabris S., Fratesi G., Gebauer R., Gerstmann U., Gougoussis C., Kokalj A., Lazzeri M., Martin-Samos L., Marzari N., Mauri F., Mazzarello R., Paolini S., Pasquarello A., Paulatto L., Sbraccia C., Scandolo S., Sclauzero G., Seitsonen A. P., Smogunov A., Umari P., Wentzcovitch R. M.. Quantum espresso: a modular and open-source software project for quantum simulations of materials. // J. Phys.: Condens. Matter. – 2009. – № 21. – P. 395502-1-395502-19.

4.  Sivek J., Sahin H., Partoens B., Peeters F. M.. Adsorption and absorption of boron, nitrogen, aluminum, and phosphorus on silicene: Stability and electronic and phonon properties. // Physical Review B. – 2013. – № 87. – P. 085444-1-085444-8.

5.  Chibisova M. A., Chibisov A. N. The effect of nitrogen doping on the elastic properties of silicone. // Solid State Phenomena. – 2016. – № 000. – P. 14-18.

6.  Peng Q., Wen X., De S.. Mechanical stabilities of silicone. // RSC Adv. – 2013. – № 3. – P. 13772-13781.

7.  Zheng F.-b., Zhang C.-w., Wang P.-j., Li S.-s.. Novel half-metal and spin gapless semiconductor properties in N-doped silicene nanoribbons. // Journal of Applied Physics. – 2013. – № 000. – P. 154302-1-154302-4.

8.  Jing Y., Sun Y., Niu H., Shen J.. Atomistic simulations on the mechanical properties of silicone nanoribbons under uniaxial tension. // Phys. Status Solidi B. – 2013. – № 8. – P. 1505-1509.