高本領(lǐng)

(淮陰工學(xué)院數(shù)理學(xué)院，江蘇淮安223003)

0 引言

碳化硅(SiC)是一種極其重要的半導(dǎo)體材料，具有寬的帶隙(2.0eV以上)、大的激發(fā)能(達(dá)100meV)、高的擊穿電壓、熱導(dǎo)率和電子飽和漂移速度、強(qiáng)的抗輻射能力、優(yōu)良的化學(xué)穩(wěn)定性、小的介電常數(shù)等優(yōu)點(diǎn)［1］;使其在眾多的領(lǐng)域如航天航空、人造衛(wèi)星、核能儀器、雷達(dá)通訊等需要高溫、高速、高頻、高功率的微(光)電子器件方面受到歡迎［2］，是發(fā)展前景十分廣闊的為數(shù)不多的第三代半導(dǎo)體材料之一。有理由相信低維碳化硅納米結(jié)構(gòu)除了具有上述碳化硅材料的共性，由于量子尺寸效應(yīng)，很可能有更獨(dú)特的性質(zhì)，使得它在納米傳感器、納米裝置方面有突出的應(yīng)用。特別是2002年Sun等成功的合成了碳化硅納米管［3］，該納米管中碳、硅原子的比率為1︰1，盡管為多壁管，但由于層間距超過(guò)，因而可看成單壁管，這極大地促進(jìn)了對(duì)SiC低維結(jié)構(gòu)的研究。單壁碳納米管可看成由單層石墨卷制而成，同樣，單壁SiC納米管可看成單層石墨型SiC片卷繞而成。理論上已有好多研究石墨型一維以及二維SiC納米結(jié)構(gòu)方面的工作［4－6］。

在本文中，我們通過(guò)密度函數(shù)理論研究了氟化的二維石墨型單層碳化硅片的電子和磁性結(jié)構(gòu)。

1 計(jì)算細(xì)節(jié)和方法

我們的第一性原理計(jì)算采用PBE型交換關(guān)聯(lián)勢(shì)，在廣義梯度近似下采用自旋極化密度函數(shù)理論［7］，基于參考文獻(xiàn)［8，9］中方法。電子離子互作用采用投影的擴(kuò)展平面波描述。超元胞含碳、硅與氟原子各4個(gè)。相鄰的層間距離超過(guò)15A。。布里淵區(qū)積分采用9×9×1的Monkhorst－Pack型特殊點(diǎn)。平面波截?cái)嗄苋?60eV，能量與原子力收斂分別為10－5與結(jié)構(gòu)優(yōu)化中對(duì)稱(chēng)性不受限制。

2 結(jié)果與討論

由于氟原子只能與碳化硅片中的硅原子成鍵，而不能與碳原子成鍵，實(shí)際上碳化硅的氟化是其中的所有硅原子被氟化。結(jié)構(gòu)優(yōu)化首先對(duì)氟化的碳化硅片進(jìn)行。圖1是優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)?？梢钥闯?，由于氟原子對(duì)硅原子的吸引作用，未氟化前的純SiC片中C與Si原子在同一平面內(nèi)，氟化后不在共面，而是分屬于兩個(gè)不同平面，這兩平面的間距約為，此結(jié)果大于，說(shuō)明氟硅間作用大于氫硅之間;C－Si與F－Si鍵長(zhǎng)分別為由于氟化作用，C － Si鍵長(zhǎng)明顯變大。為了研究相對(duì)穩(wěn)定性，我們計(jì)算了形成能，定義如下:

其中，ESiC、EF2與 EF－SiC分別表示碳化硅片、氟分子以及相應(yīng)的氟化碳化硅片的能量。結(jié)果表明:單位原胞的形成能為2.662eV，說(shuō)明所形成的氟化結(jié)構(gòu)具有很強(qiáng)的穩(wěn)定性。

圖1 優(yōu)化的氟化碳化硅片的幾何結(jié)構(gòu)

接下來(lái)我們研究氟化碳化硅片的磁特性。為尋找到最穩(wěn)定的磁狀態(tài)，我們考察了鐵磁、反鐵磁以及非磁三種磁構(gòu)型。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，單位原胞的反鐵磁構(gòu)型能量比鐵磁與非磁構(gòu)型能量分別低88meV及130meV，說(shuō)明氟化的碳化硅片顯示了反鐵磁特性。為了進(jìn)一步描述氟化的效果，我們畫(huà)出了電子結(jié)構(gòu)與態(tài)密度，如圖2所示。圖2(a)與圖2(b)分別對(duì)應(yīng)自旋向上與向下的能帶結(jié)構(gòu)，從中可以看出，能量完全是自旋簡(jiǎn)并的，這是由于結(jié)構(gòu)為反鐵磁，費(fèi)密面以下的最高能量點(diǎn)對(duì)應(yīng)于G=(0，0，0)點(diǎn)，最低能量點(diǎn)對(duì)應(yīng)于 K=(1/3，1/3，0)點(diǎn)，說(shuō)明氟化的SiC片為間接帶隙半導(dǎo)體，帶隙為1.04eV，相比于純的SiC片的直接帶隙2.55eV而言明顯減少了，這是由于Si的氟化，使得原來(lái)的π鍵遭破壞，C原子上留下了未配對(duì)的局域性不太強(qiáng)的電子，同時(shí)由于F的2p電子的能級(jí)處于原來(lái)未氟化時(shí)的帶隙中，因而帶隙減少。圖2(c)表示自旋相反的兩種電子態(tài)密度，由于在任何能量位置，自旋向上與自旋向下的態(tài)密度總相等，所以整體上未顯示自旋極化，這是由于氟化的碳化硅片內(nèi)磁耦合為反鐵磁方式。圖2(d)表示未氟化的局域碳原子的態(tài)密度，可以清楚地看出，在費(fèi)米能級(jí)附近，自旋向上與自旋向下的態(tài)密度明顯不等，說(shuō)明碳原子自旋極化。從圖中還可看出，存在一定的s與p軌道雜化現(xiàn)象。另外，反鐵磁性質(zhì)主要來(lái)源于碳的2p軌道的貢獻(xiàn)。這些都充分地表明氟化的單層碳化硅片具有明顯的反鐵磁性質(zhì)。

圖2 自旋分解的能帶結(jié)構(gòu)與態(tài)密度。

圖2中的態(tài)密度，向上與向下的圖線(xiàn)分別對(duì)應(yīng)自旋向上與自旋向下軌道，實(shí)線(xiàn)與虛線(xiàn)分別對(duì)應(yīng)s與p軌道。

3 結(jié)論

通過(guò)應(yīng)用密度泛函理論，我們研究了氟化的碳化硅片的電子與磁性結(jié)構(gòu)。發(fā)現(xiàn)氟化的碳化硅片為反鐵磁間接帶隙半導(dǎo)體。局域磁性主要集中于碳原子，大部分由2p軌道貢獻(xiàn)。本文的主要意義在于通過(guò)完全的非金屬元素實(shí)現(xiàn)了納米結(jié)構(gòu)的反鐵磁，這對(duì)未來(lái)的納米功能材料與自旋電子裝置設(shè)計(jì)提供了一定的指導(dǎo)信息。

［1］G.L.Harris.Properties of Silicon Carbide［M］.Institution of Electrical Engineers，London，1995.

［2］W.J.Choyke，H.Matsunami，G.Pensl.Silicon Carbide:Recent Major Advances［M］.Springer－ Verlag，Berlin，2004.

［3］X.H.Sun，C.P.Li，W.K.Wong，et al.Formation of Silicon Carbide Nanotubes and Nanowires via Reaction of Silicon(from Disproportionation of Silicon Monoxide)with Carbon Nanotubes［J］.J.Am.Chem.Soc.，2002，124:14464－14471.

［4］M.Menon，E.Richter，A.Mavrandonakis，et al.Structure and stability of SiC nanotubes［J］.Phys.Rev.B，2004，69:115322－115325.

［5］L.Sun，Y.F.Li，Z.Y.Li，et al.Electronic structures of SiC nanoribbons［J］.J.Chem.Phys.，2008，129:174114－174117.

［6］B.Xu，J.Yin，Y.D.Xia，et al.Ferromagnetic and antiferromagnetic properties of the semihydrogenated SiC sheet［J］.Appl.Phys.Lett.，2010，96:143111 －143113.

［7］ J.P.Perdew，K.Burke，M.Ernzerhof.Generalized Gradient Approximation Made Simple［J］.Phys.Rev.Lett.，1996，77:3865 －3868.

［8］G.Kresse，J.Hafner.Norm － conserving and ultrasoft pseudopotentials for first－row and transition elements［J］.J.Phys.:Condens.Matter，1994，6:8245 －8257.

［9］G.Kresse.Ab initio molecular－dynamics simulation of the liquid－metal－amorphous－semiconductor transition in germanium［J］.J.Phys.Rev.B，1994，49:14251－14271.