硅烯饱和吸附碱金属原子的第一性原理研究

黄艳平; 袁健美; 郭刚; 毛宇亮

doi:10.7498/aps.64.013101

摘要

基于密度泛函理论的第一性原理计算, 研究了硅烯饱和吸附碱金属元素原子的稳定性、微观几何结构和电子性质, 并与纯硅烯及其饱和氢化结构进行了对比分析. 研究发现复合物SiX(X=Li, Na, K, Rb)的形成能都是负的, 相对于纯硅烯来说可以稳定存在. Bader电荷分析表明, 电荷从碱金属原子转移至硅原子. 从成键方式来看, 硅烯与氢原子形成共价键, 而与碱金属原子之间形成的键主要是离子性成键, 但还存在部分共价关联成分. 能带计算表明, 锂原子饱和吸附在硅烯形成的复合物SiLi是直接带隙的半导体, 带隙大小为0.34 eV. 其他碱金属饱和吸附在硅烯上形成的复合物都表现为金属性.

关键词:

硅烯 /
碱金属 /
第一性原理 /
吸附

Abstract

Based on density functional first-principles calculations, we study the stability, micro-geometry, and electronic properties of alkali metal atoms adsorbed on silicene, and perform the comparison between pure and hydrogen-saturated silicenes. We found that all the formation energies of SiX(X=Li, Na, K and Rb) are negative, indicating that the relative structural stability of these new compounds is higher than silicene. Bader charge analysis shows that electric charge is transferred from Si atoms to H atoms in SiH compound, but in SiX the direction of charge transfer is opposite, i.e., the charge is transferred from alkali metal atoms to Si atoms. From the viewpoint of chemical bonding, it can be regarded that valence bond is formed between Si atoms and H atoms, and the bonds between Si and alkali metal atoms are mainly ionic, but there exists covalent contribution. From the band structure calculations, it is also found that the new type compound SiLi is a semiconductor with a direct band gap of 0.34 eV; however, all the other compounds of SiX(X=Na, K and Rb) exhibit metallic property.

Keywords:

作者及机构信息

1.
湘潭大学材料与光电物理学院, 微纳能源材料与器件湖南省重点实验室, 湘潭 411105;

2.
湘潭大学数学与计算科学学院, 科学工程计算与数值仿真湖南省重点实验室, 湘潭 411105;

3.
浙江大学硅材料国家重点实验室, 杭州 310027

基金项目: 国家自然科学基金(批准号: 11374251, 11471280, 11101346)、湖南省教育厅科学研究基金(批准号: 12K046, YB2011B029)和湖南省自然科学基金(批准号: 12JJ9002)资助的课题.

Authors and contacts

1.
Faculty of Materials, Optoelectronic and Physics, Hunan Key Laboratory for Micro-Nano Energy Materials and Devices, Xiangtan University, Xiangtan 411105, China;

2.
Faculty of Mathematics and Computational Science, Hunan Key Laboratory for Computation and Simulation in Science and Engineering, Xiangtan University, Xiangtan 411105, China;

3.
State Key Lab of Silicon Materials, Zhejiang University, Hangzhou 310027, China

Funds: Project supported by the National Natural Science Foundation of China (Grant Nos. 11374251, 11471280, 11101346)，by the Scientific Research Foundation of the Education Bureau of Hunan Province, China (Grant Nos. 12K046, YB2011B029), and the Hunan Provincial Natural Science Foundation of China (Grant No. 12JJ9002).

参考文献

[1]	Guzman-Verri G G, Voon L C L Y 2007 Phys. Rev. B 76 075131
[2]	Lalmi B, Oughaddou H, Enriquez H 2010 Appl. Phys. Lett. 97 223109
[3]	Meng L, Wang Y L, Zhang L Z 2013 Nano Lett. 13 685
[4]	Fleurence A, Friedlein R, Ozaki T 2012 Phys. Rev. Lett. 108 245501
[5]	Feng B J, Ding Z J, Meng S, Yao Y G, He X Y, Cheng P, Chen L, Wu K H 2012 Nano Lett. 12 3507
[6]	Cahangirov S, Topsakal M, Akturk E 2009 Phys. Rev. Lett. 102 236804
[7]	Chen L, Wu K H 2013 Acta Phys. Sin. 42 9 (in Chinese) [陈岚, 吴克辉 2013 物理学报 42 9]
[8]	Liu C C, Jiang H, Yao Y G 2011 Phys. Rev. B 84 195430
[9]	Liu C C, Feng W X, Yao Y G 2011 Phys. Rev. Lett. 107 076802
[10]	Rowlands D A, Zhang Y Z 2014 Chin. Phys. B 23 037101
[11]	Quhe R G, Fei R X, Liu Q H, Zheng J X, Li H, Xu C Y, Ni Z Y, Wang Y Y, Yu D P, Gao Z X, Lu J ???? Sci. Rep. 2 853
[12]	Ni Z Y, Liu Q H, Tang K C, Zheng J X, Zhou J, Qin R, Gao Z X, Yu D P, Lu J 2012 Nano Lett. 12 113
[13]	Drummond N D, Zólyomi V, Fal'ko V I 2012 Phys. Rev. B 85 075423
[14]	Lew Yan Voon L C, Sandberg E, Aga R S, Farajian A A 2010 Appl. Phys. Lett. 97 163114
[15]	Osborn T H, Farajian A A, Pupysheva O V, Aga R S, Lew Yan Voon L C 2011 Chem. Phys. Lett. 511 101
[16]	Houssa M, Scalise E, Sankaran K, Pourtois G, Afanas'ev V V, Stesmans A 2011 Appl. Phys. Lett. 98 223107
[17]	Ding Y, Wang Y L 2012 Appl. Phys. Lett. 100 083102
[18]	Huang B, Xiang H J, Wei S H 2013 Phys. Rev. Lett. 111 145502
[19]	Wang S K, Tian H Y, Yang Y H, Wang J 2014 Chin. Phys. B 23 017203
[20]	Zhang C W, Yan S S 2012 J. Phys. Chem. C 116 4163
[21]	Sivek J, Sahin H, Partoens B, Peeters F M 2013 Phys. Rev. B 87 085444
[22]	Liu Y, Liang P, Shu H B, Cao D, Dong Q M, Wang L 2014 Chin. Phys. B 23 067304
[23]	Gao N, Zheng W T, Jiang Q 2012 Phys. Chem. Chem. Phys 14 257
[24]	Lin X Q, Ni J 2012 Phys. Rev. B 86 075440
[25]	Sahin H, Peeters F M 2013 Phys. Rev. B 87 085423
[26]	Ni Z Y, Zhong H X, Jiang X H, Quhe R G, Luo G F, Wang Y Y, Ye M, Yang J B, Shi J J, Lu J 2014 Nanoscale 6 7609
[27]	Lei T M, Wu S B, Zhang Y M, Guo H, Chen D L, Zhang Z Y 2014 Acta Phys. Sin. 63 067301 (in Chinese) [雷天民, 吴胜宝, 张玉明, 郭辉, 陈德林, 张志勇 2014 物理学报 63 067301]
[28]	Zhang Z H, Zhou T G, Zuo X 2013 Acta Phys. Sin. 62 083102 (in Chinese) [张召富, 周铁戈, 左旭 2013 物理学报 62 083102]
[29]	Tang Y N, Yang Z X, Dai X Q 2011 J. Chem. Phys 135 224704
[30]	Perdew J P, Wang Y 1992 Phys. Rev. B 45 13244
[31]	Kresse G, Joubert D 1999 Phys. Rev. B 59 1758
[32]	Monkhorst H J, Pack J D 1976 Phys. Rev. B 13 5188
[33]	Clotet A, Ricart J M, Rubio J, Illas F 1995 Phys. Rev. B 51 1581
[34]	Savchenko A 2009 Science 323 589

施引文献

[1]	Guzman-Verri G G, Voon L C L Y 2007 Phys. Rev. B 76 075131
[2]	Lalmi B, Oughaddou H, Enriquez H 2010 Appl. Phys. Lett. 97 223109
[3]	Meng L, Wang Y L, Zhang L Z 2013 Nano Lett. 13 685
[4]	Fleurence A, Friedlein R, Ozaki T 2012 Phys. Rev. Lett. 108 245501
[5]	Feng B J, Ding Z J, Meng S, Yao Y G, He X Y, Cheng P, Chen L, Wu K H 2012 Nano Lett. 12 3507
[6]	Cahangirov S, Topsakal M, Akturk E 2009 Phys. Rev. Lett. 102 236804
[7]	Chen L, Wu K H 2013 Acta Phys. Sin. 42 9 (in Chinese) [陈岚, 吴克辉 2013 物理学报 42 9]
[8]	Liu C C, Jiang H, Yao Y G 2011 Phys. Rev. B 84 195430
[9]	Liu C C, Feng W X, Yao Y G 2011 Phys. Rev. Lett. 107 076802
[10]	Rowlands D A, Zhang Y Z 2014 Chin. Phys. B 23 037101
[11]	Quhe R G, Fei R X, Liu Q H, Zheng J X, Li H, Xu C Y, Ni Z Y, Wang Y Y, Yu D P, Gao Z X, Lu J ???? Sci. Rep. 2 853
[12]	Ni Z Y, Liu Q H, Tang K C, Zheng J X, Zhou J, Qin R, Gao Z X, Yu D P, Lu J 2012 Nano Lett. 12 113
[13]	Drummond N D, Zólyomi V, Fal'ko V I 2012 Phys. Rev. B 85 075423
[14]	Lew Yan Voon L C, Sandberg E, Aga R S, Farajian A A 2010 Appl. Phys. Lett. 97 163114
[15]	Osborn T H, Farajian A A, Pupysheva O V, Aga R S, Lew Yan Voon L C 2011 Chem. Phys. Lett. 511 101
[16]	Houssa M, Scalise E, Sankaran K, Pourtois G, Afanas'ev V V, Stesmans A 2011 Appl. Phys. Lett. 98 223107
[17]	Ding Y, Wang Y L 2012 Appl. Phys. Lett. 100 083102
[18]	Huang B, Xiang H J, Wei S H 2013 Phys. Rev. Lett. 111 145502
[19]	Wang S K, Tian H Y, Yang Y H, Wang J 2014 Chin. Phys. B 23 017203
[20]	Zhang C W, Yan S S 2012 J. Phys. Chem. C 116 4163
[21]	Sivek J, Sahin H, Partoens B, Peeters F M 2013 Phys. Rev. B 87 085444
[22]	Liu Y, Liang P, Shu H B, Cao D, Dong Q M, Wang L 2014 Chin. Phys. B 23 067304
[23]	Gao N, Zheng W T, Jiang Q 2012 Phys. Chem. Chem. Phys 14 257
[24]	Lin X Q, Ni J 2012 Phys. Rev. B 86 075440
[25]	Sahin H, Peeters F M 2013 Phys. Rev. B 87 085423
[26]	Ni Z Y, Zhong H X, Jiang X H, Quhe R G, Luo G F, Wang Y Y, Ye M, Yang J B, Shi J J, Lu J 2014 Nanoscale 6 7609
[27]	Lei T M, Wu S B, Zhang Y M, Guo H, Chen D L, Zhang Z Y 2014 Acta Phys. Sin. 63 067301 (in Chinese) [雷天民, 吴胜宝, 张玉明, 郭辉, 陈德林, 张志勇 2014 物理学报 63 067301]
[28]	Zhang Z H, Zhou T G, Zuo X 2013 Acta Phys. Sin. 62 083102 (in Chinese) [张召富, 周铁戈, 左旭 2013 物理学报 62 083102]
[29]	Tang Y N, Yang Z X, Dai X Q 2011 J. Chem. Phys 135 224704
[30]	Perdew J P, Wang Y 1992 Phys. Rev. B 45 13244
[31]	Kresse G, Joubert D 1999 Phys. Rev. B 59 1758
[32]	Monkhorst H J, Pack J D 1976 Phys. Rev. B 13 5188
[33]	Clotet A, Ricart J M, Rubio J, Illas F 1995 Phys. Rev. B 51 1581
[34]	Savchenko A 2009 Science 323 589

[1]	吴宇阳, 李卫, 任青颖, 李金泽, 许巍, 许杰. 金属Sc修饰Ti₂CO₂吸附气体分子的第一性原理研究. 物理学报, 2024, 73(7): 073101. doi: 10.7498/aps.73.20231432
[2]	李小林, 袁坤, 何嘉乐, 刘洪峰, 张建波, 周阳. NH₃在TaC(0001)表面吸附和解离的第一性原理研究. 物理学报, 2022, 71(1): 017103. doi: 10.7498/aps.71.20210400
[3]	陈建, 熊康林, 冯加贵. 单层硅烯表面的CoPc分子吸附研究. 物理学报, 2022, 71(4): 040501. doi: 10.7498/aps.71.20211607
[4]	吴洪芬, 冯盼君, 张烁, 刘大鹏, 高淼, 闫循旺. 铁原子吸附联苯烯单层电子结构的第一性原理. 物理学报, 2022, 71(3): 036801. doi: 10.7498/aps.71.20211631
[5]	李小林, 袁坤, 何嘉乐, 刘洪峰, 张建波, 周阳. NH3在TaC(0001)表面吸附和解离的第一性原理研究. 物理学报, 2021, (): . doi: 10.7498/aps.70.20210400*
[6]	陈建, 熊康林, 冯加贵. 单层硅烯表面的CoPc分子吸附研究. 物理学报, 2021, (): . doi: 10.7498/aps.70.20211607
[7]	吴洪芬, 冯盼君, 张烁, 刘大鹏, 高淼, 闫循旺. 铁原子吸附联苯烯单层电子结构的第一性原理研究. 物理学报, 2021, (): . doi: 10.7498/aps.70.20211631
[8]	盛喆, 戴显英, 苗东铭, 吴淑静, 赵天龙, 郝跃. 各Li吸附组分下硅烯氢存储性能的第一性原理研究. 物理学报, 2018, 67(10): 107103. doi: 10.7498/aps.67.20172720
[9]	王小卡, 汤富领, 薛红涛, 司凤娟, 祁荣斐, 刘静波. H,Cl和F原子钝化Cu2ZnSnS4(112)表面态的第一性原理计算. 物理学报, 2018, 67(16): 166401. doi: 10.7498/aps.67.20180626
[10]	杨光敏, 梁志聪, 黄海华. 石墨烯吸附Li团簇的第一性原理计算. 物理学报, 2017, 66(5): 057301. doi: 10.7498/aps.66.057301
[11]	孙建平, 周科良, 梁晓东. B,P单掺杂和共掺杂石墨烯对O,O2,OH和OOH吸附特性的密度泛函研究. 物理学报, 2016, 65(1): 018201. doi: 10.7498/aps.65.018201
[12]	曹海燕, 毕恒昌, 谢骁, 苏适, 孙立涛. 氧化石墨烯基功能纸的简易制备和染料吸附性能. 物理学报, 2016, 65(14): 146802. doi: 10.7498/aps.65.146802
[13]	林文强, 徐斌, 陈亮, 周峰, 陈均朗. 双酚A在氧化石墨烯表面吸附的分子动力学模拟. 物理学报, 2016, 65(13): 133102. doi: 10.7498/aps.65.133102
[14]	贺艳斌, 贾建峰, 武海顺. N2H4在NiFe(111)合金表面吸附稳定性和电子结构的第一性原理研究. 物理学报, 2015, 64(20): 203101. doi: 10.7498/aps.64.203101
[15]	廖建, 谢召起, 袁健美, 黄艳平, 毛宇亮. 3d过渡金属Co掺杂核壳结构硅纳米线的第一性原理研究. 物理学报, 2014, 63(16): 163101. doi: 10.7498/aps.63.163101
[16]	李细莲, 刘刚, 杜桃园, 赵晶, 吴木生, 欧阳楚英, 徐波. 应力对硅烯上锂吸附的影响. 物理学报, 2014, 63(21): 217101. doi: 10.7498/aps.63.217101
[17]	孙建平, 缪应蒙, 曹相春. 基于密度泛函理论研究掺杂Pd石墨烯吸附O2及CO. 物理学报, 2013, 62(3): 036301. doi: 10.7498/aps.62.036301
[18]	陈玉红, 曹一杰, 任宝兴. Ti原子在Al(110)表面吸氢过程中催化作用的第一性原理研究. 物理学报, 2010, 59(11): 8015-8020. doi: 10.7498/aps.59.8015
[19]	陈国栋, 王六定, 张教强, 曹得财, 安博, 丁富才, 梁锦奎. 掺硼水吸附碳纳米管电子场发射性能的第一性原理研究. 物理学报, 2008, 57(11): 7164-7167. doi: 10.7498/aps.57.7164
[20]	魏彦薇, 杨宗献. Au在Zr掺杂的CeO2(110)面吸附的第一性原理研究. 物理学报, 2008, 57(11): 7139-7144. doi: 10.7498/aps.57.7139

计量

文章访问数: 6057
PDF下载量: 707
被引次数: 0

姓名
邮箱
手机号码
标题
留言内容
验证码

搜索

留言板