The electronic and magnetic properties of functionalized silicene.doc

功能化硅树脂的电磁特性：第一性原理研究Fu-bao zheng and Chang-wen zhang摘要：基于第一性原理的计算，我们研究氢和溴在硅树脂上渗透的结构和电磁的二维特性。发现完全渗透的硅树脂呈现非磁性的半导体的表现。而只有一面有氢和溴的半渗透导致在硅原子上出现小范围的和不成对的电子，各自表现出铁磁体半导体的或半金属的特性。总能量计算表明半氢化硅树脂呈现铁磁体的规则，而半溴化的一侧呈现反铁磁体的性质。关键词：第一性原理，硅树脂，铁磁性，居里温度背景：最近，因为低维石墨烯独特的电子特性和其将来在纳光电子方面潜在的应用价值吸引了大量兴趣，因此它是在物理学和纳米技术领域最具有研究价值材料之一。然而，石墨烯在大面积生长上面临巨大挑战，更重要的是不符合当前的硅基电子技术。相对应的石墨烯，在二维六角堆积硅树脂最近从二硅化钙上化学脱落。最近更深入研究，硅纳米带被固定在银基底的沉积物上。硅基纳米材料的合成开辟了学习他们的物理和化学属性道路, 它的额外的好处是兼容的与现有的半导体设备。化学功能化通常是一个调整二维结构的电磁特性调整的有效方法，例如石墨烯，BN,AIN,和CdS片，特别是据报道用氢气平面化学修饰引起了在没有3d和4f元素掺杂情况下铁磁体在二维碳基材料上的大范围有序生长。不会受3d和4f元素掺杂的材料的沉积物和次生相形成的影响,这对实际应用带来不利。对于硅基底的纳米结构，Jose和Datta报道了硅树脂和笨化硅簇的结构和电子特性，指出硅树脂簇可能成为FET和氢储存有希望的材料。因为硅树脂最近刚被意识到，它在磁性条件下硅树脂表面吸收外来原子的效果还没有被彻底的开发。在现在的信里，根据第一计算原理，我们关注在硅树脂上吸收氢和卤素溴后实现铁磁性的可能性，它可看做是硅树脂的电子特性是可调的，尤其是铁磁有序和钣金属性可通过吸收H和Br原子来实现。这可能打开一条在自旋电子学上设计硅基底纳米结构的道路。方法：所有的预测都是使用软件包和密度功能能理论。使用广义梯近似和450ev截止能量作为平面波基组。对于Si，H,Br在3s23p2, 1s1和 4s24p5价电子构型各自使用赝势法。依据Monkhorst-pack方案，布里渊区在991 k点，15 15 1 k点集成以获得电子特性。几何学的对称无限制的优化通过共轭梯度计划演示出来直到最大的哈密顿-赫尔曼力小于0.01 eV/。结论和讨论：硅树脂单的调查模型如图1a所示。晶包里有八个硅原子。计算出Si-Si的键长是d1 = 2.27 ，这与先前的研究吻合很好。与石墨烯不同的是，更大的Si-Si的键长削弱了- 重叠，导致sp3的低弯曲结构(h = 0.45 )像杂化轨道（图1b）。为检查单个H被吸附的位置，我们考虑在硅上三种不同的吸收立体基阵，如顶位，桥位和谷位，如图1a所示。结构的相对稳定性决定于结构能，其定义为Ef = E（H：硅树脂）-E(硅树脂)- 1/2nH，E（H：硅树脂）和E(硅树脂)分别是超晶包有杂质和没杂质是的总能量。H是氢气的化学势，n是H原子在硅树脂上的浓度。从计算结果看，T的结合能是最低的，如图1c所示。因此，对于氢原子T位置是稳定的吸收位置，暗示氢化硅的生长可以充分利用沉积物技术，这能控制二维材料以避免长成三维的小岛。当硅树脂吸附在基底上，通常长生只有一个氢功能化的平面的半装饰片，它也可以通过对硅树脂的（0001）面添加垂直外电场来实现。因此，我们考虑半氢化硅树脂的结构，在顶端Si1原子被氢化，Si2原子保持未饱和状态（如图2a）。在纯净的硅树脂里，Pz轨道垂直于Si环系统一起混合形成微弱但是大量存在的结合网。当一半的硅原子被氢化，H原子会和Si1原子形成很强的粘合，导致sp3的氢和硅原子杂交，同时Si2原子保持sp2杂交，这使得在Si2上未饱和的的电子被固定下来并且未配对，导致每个晶胞中Si2以整数磁矩被自旋极化。检验是否集体磁有序，能力差异，铁磁性和反铁磁性之间，发现0.068eV，因此铁磁有序是一个稳定的基态。我们用公式kBTC/2= EAFM- EFM从平均场近似法预测居里温度，其中是结构尺寸，kB是波尔兹曼常数。我们发现构型为HSi1计算出来的居里温度为300K，在自旋电子学里的实际应用时很理想的。最近研究表明表面卤素的饱和是一个调整Si纳米线的电子特性的很有效的方法。Zhou et a同时表明氟原子装饰在石墨烯或是碳纳米管上不同位置会产生令人满意的磁特性。近期Yaya et al研究溴化处理石墨烯和石墨，预言了有趣的电子特性。因此研究铁磁性是否由例如卤素Br的吸收引起是一个非常有趣的研究。当硅树脂两面充分被溴化（如图3a），我们发现它呈现出无磁半导体的表现，直接能带为1.47eV（图3b），这比氢化硅树脂小得多。在只有一半硅树脂被溴化(BrSi1)的情况下，Bader分析显示以局部磁矩为每个晶包1.0B形成自旋极化，一半硅树脂氢化情况与此类似。更有趣的是，能带接近费米能级呈现一个金属的自选减弱通道和一个半导体的自旋上升通道，带宽为1.73-eV，因此半金属性质伴随着100%自旋极化电流的获得，暗示了基于硅树脂建立旋转设备的一种可行方法。为确定在BrSi1里Br诱导的半金属性的磁稳定性，我们计算磁性，反磁性和非磁性的总能量差异。我们发现反铁磁性的状态是0.17和0.51 eV每单位晶包的能量低于铁磁和非磁性状态。表明BrSi1表现出一个反铁磁性的行为。为了根据MSi1(M = H或Br)片磁性质后面的源，自旋密度的项密度(PDOS)和等值面如图4所示。局部磁力矩主要由不饱和Si2原子在费米能级附近的3p电子产生，HSi1和BrSi1分别是0.27和0.24B，饱和的硅原子带有很小的磁矩（图4）。然而在BrSi1吸附的Br原子产生一个0.11 B的磁矩，比H在HSi1里产生的磁矩(0.05 B)大。最近John et al.研究分层镍alkanethiolates和双核的镍(II)复合体的磁相互作用。他们发现整个磁系统的行为取决于铁磁和反铁磁相互作用竞争微妙的平衡关系。然而在HSi1里，因为在3p状态的价电子比在d和f状态的价电子更加活跃。更大的空间扩展促进远程交换铁磁耦合，由于扩大了p-p交换。事实上,波函数的扩展的尾巴已经被提出调解在非磁性元素掺杂的远程铁磁性纳米结构5。结论：总之，根据第一性原理计算结果，我们研究了2D六角硅树脂吸收H和Br原子后的电子结构和磁特性。我们发现硅树脂双面饱和吸收后呈现的非磁性半导体行为。对于只有一个硅树脂面形成的半饱和吸，HSi1的收呈现铁磁性行为，BrSi1由于不饱和的Si2原子小范围不配对电子呈现半金属特性。总能量的计算