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?【純計算】Surf. Interfaces：用取代摻雜和雙軸應變調控單層鉛烯的電子性質和功函數

二維材料具有獨特的電子和物理性質，使其在納米電子學和光電子應用中具有巨大潛力。在此，印度理工學院Rakesh Kumar等人使用第一性原理計算研究了二維材料鉛烯的電子性質，并研究了元素周期表中13-15族原子的取代摻雜和雙軸應變對鉛烯電子性質和功函數的影響。

計算方法

基于密度泛函理論（DFT），作者使用維也納從頭算模擬包（VASP）進行電子結構計算，并使用含有Perdew–Burke–Ernzerhof（PBE）泛函的廣義梯度近似（GGA）來描述電子關聯相互作用。在晶體結構優化過程中，作者將每個原子上力的收斂標準設置為0.0001eV/?。對于能帶結構的計算，作者使用了16 × 16 × 1的 K點網格，并將截止能量設置為150 eV。此外，對于態密度（DOS）的計算，作者使用了20×20×1的稠密K點網格，并且采用20?的真空層來屏蔽層間相互作用。

結果與討論

圖1 鉛烯的模型結構、電荷密度圖、能帶結構和態密度

如圖1a所示，鉛烯具有彎曲的六邊形晶格結構，相應的晶格常數、屈曲高度和Pb-Pb鍵長分別為4.928?、0.920?和2.990?。如圖1b所示，鉛烯具有均勻且連續的電荷密度分布，并且能帶結構（圖1c）表明鉛烯在K點具有零帶隙和狄拉克錐。此外，作者計算了總態密度和部分態密度（TDOS/PDOS）（圖1d），其中鉛烯的6p軌道在費米能級貢獻最大。作者還研究了自旋-軌道耦合（SOC）的影響，并且由于自旋-軌道相互作用產生了0.4 eV的帶隙（圖1e）。

圖2 B摻雜鉛烯的模型結構、電荷密度圖、能帶結構和態密度

如圖2所示，B摻雜鉛烯的電荷密度圖顯示了硼（B）位點周圍的電荷積累（圖2b）。相對于原始鉛烯，費米能級向價帶邊緣移動（圖2c），這表明鉛烯為p型摻雜。而與原始鉛烯相比，費米能級的DOS增加（圖2d）。即B的引入打破了原始鉛烯的晶格對稱性，并導致K點能帶分裂。此外，作者還進行了自旋極化計算，以研究B摻雜鉛烯的磁性行為，而B原子在鉛烯中的摻雜不會引起任何磁矩，這表明摻雜的鉛烯具有非磁性行為。作者還研究了硼摻雜鉛烯中的SOC相互作用，即使在包含SOC之后，它也顯示出金屬性質（圖2e）。

圖3 C摻雜鉛烯的模型結構、電荷密度圖、能帶結構和態密度

C摻雜鉛烯的晶體結構和電子能帶結構與原始鉛烯類似（圖3），即C摻雜鉛烯的電子能帶結構存在狄拉克錐，并且與原始鉛烯相比，費米能級進一步向更低的能量移動（圖3c）。此外，與原始鉛烯相比，費米能級的DOS略有增加（圖3d）。而在包括SOC時的C摻雜鉛烯中，作者觀察到了0.29eV的帶隙（圖3e）。

圖4 N摻雜鉛烯的模型結構、電荷密度圖、能帶結構和態密度

圖4顯示了N摻雜鉛烯的能帶結構、態密度（DOS）和電荷密度圖。與原始鉛烯相比，電子能帶結構（圖4c）顯示費米能級向導帶邊緣移動，這表明其為n型摻雜。在N摻雜鉛烯的情況下，狄拉克錐在K點消失。與原始鉛烯相比，費米能級的DOS值增加（圖4d）。此外，即使在包含SOC之后，N摻雜鉛烯也呈現金屬特性（圖4e）。

圖5 硼、碳和氮摻雜鉛烯的電子能帶結構

對摻雜鉛烯施加2%、4%和6%的雙軸應變（圖5）時，摻雜有第14族原子的鉛烯在費米能級態密度（DOS）增加，而摻雜有第13族和第15族原子的鉛烯態密度降低。此外，功函數隨著拉伸應變的增加而單調增加。

圖6 硼、碳和氮摻雜鉛烯的應變-能量曲線

如圖6所示，連續的應變-能量曲線表明施加的應變落在彈性范圍內，并且施加雙軸應變不會破壞六邊形對稱性。此外，應力-能量曲線顯示出平滑和連續的單調性，并且沒有任何不連續性。

總結展望

計算結果表明，取代摻雜和雙軸應變可以顯著調控單層鉛烯的電子性質和功函數。作者通過取代摻雜和雙軸應變研究發現，鉛烯的功函數在3.80-4.14eV的范圍內變化，這種電子性質的可調諧性表明了鉛烯在光電器件中極具應用潛力。

文獻信息

Prarena Jamwal et.al Tailoring electronic properties and work function of monolayer plumbene by substitutional doping and biaxial strain Surfaces and Interfaces，2023

https://doi.org/10.1016/j.surfin.2023.103294

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