二维BC2N磁性调制的第一性原理研究

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二维BC2N的结构稳定,其由于拥有与单层石墨烯类似的二维几何结构,所以其电子性质综合了单层石墨烯和二维六方氮化硼的优良物化性能。但不同于零带隙的石墨烯,二维BC2N具有合适的能带带隙,这使得其在电子学领域具有重要的作用。纯的二维BC2N是一种无磁性的纳米材料,因为缺乏磁性使其难应用于电磁学领域。因此,将磁性注入到二维BC2N中显得尤为重要,可改善其性能,扩展应用范围。许多理论表明,二维BC2N通过调制可以引入磁性,改变其电子性质。调制的手段主要包括缺陷、吸附、掺杂、施加内应力以及直接施加外电场等。其中,有效并且常见的调制手段主要是缺陷调制以及吸附调制。本文基于密度泛函理论的第一性原理计算方法,首先详细地探讨了四种单个原子空位缺陷(VN、VC1、VC2、VB)对二维BC2N的调制作用,主要研究调制结构的几何结构、磁性质以及其电子性质。结果表明,四个单空位缺陷体系能够稳定存在。N、C1原子单空位缺陷(VN、VC1)显示无磁性,VC2、VB缺陷体系显示磁性。同时,单空位缺陷的引入也会改变二维BC2N的性质:对于VN、VC1缺陷体系而言,单个空位缺陷使二维BC2N的带隙变窄;VC2缺陷体系显示金属性质;VB缺陷体系呈现半金属性质。通过对缺陷体系的磁性以及电子性质的分析,得出缺陷体系(VC2、VB)的磁性主要来源于缺陷周围原子,原因是缺陷的产生影响缺陷周围原子的电子重排。对二维BC2N的空位缺陷的研究为其在电磁学领域的应用提供理论依据,并有助于含空位二维BC2N磁性方面的调制研究。还研究了3d过渡金属原子(TM)吸附调制二维BC2N时的性质变化,主要探讨调制后的二维BC2N的几何结构、磁性质以及电子结构。结果表明,过渡金属原子(V,Cr,Mn,Fe,Co,Ni)能够稳定地吸附在二维BC2N上,V、Cr和Mn原子明显地倾向于稳定吸附于BC2N的穴位(H)上,而其他3d过渡金属原子(Fe,Co,Ni)更倾向于稳定吸附于C原子(Tc)位置上。由吸附能得知Cr和Mn物理吸附在单层BC2N上,而过渡金属原子(V,Mn,Fe,Co,Ni)化学吸附在单层BC2N上。磁性表明,除Ni吸附体系外其他过渡金属原子吸附体系可以引入磁性,且吸附系统的磁矩主要集中处于过渡金属原子上。3d过渡金属原子(V,Cr,Mn,Fe,Co)的引入导致吸附系统出现自旋极化,且自旋极化率达到100%(半金属性能),具有自旋电子学材料的特性。此外,还考虑了Hubbard U值对磁性(V,Cr,Mn,Fe,Co)吸附系统的影响。当U=0时,从费米级的态密度图可以看出,五个吸附系统都是半金属性的。随着U的增加,Fe和Cr原子吸附系统的半金属性质消失,该系统可以从半金属性转变为金属性。
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