应力对硅烯上锂吸附的影响

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1、物理学报ActaPhys．Sin．Vo1．63，No．21(2014)217101应力对硅烯上锂吸附的影响术李细莲)刘刚)杜桃园)赵晶2)吴木生)欧阳楚英)徐波)3)十1)(江西师范大学物理与通信电子学院，南昌330022)2)(江西师范大学软件学院，南昌330022)3)(中国科学技术大学物理系，合肥260026)(2014年4月4日收到；2014年6月29日收到修改稿)本文采用基于密度泛函理论的第一性原理平面波赝势方法研究了双轴应力作用下锂原子吸附硅烯的结构及其稳定性．计算结果表明，在拉应力和一定的压应力作用下，锂吸附的硅烯体系基本保持原有的结构．而当更大

2、的压应力作用时，硅烯产生了向锂原子方向凸起的结构变化，所得到的体系的总能也有明显地下降．本文通过对各种应力下的硅烯声子谱的计算，分析了在压应力作用下锂吸附的硅烯结构不稳定的原因．关键词：硅烯，应力，第一性原理，声子谱PACS：71．15．Mb，63．22．一m，61．46．一wDOI：10．7498／aps．63．217101明兀带和几带线性穿过费米能级，显示出了半金1引言属或零带隙半导体的特征．文献[11]证实了硅烯中的狄拉克费米子的存在，同时发现二维的硅烯是拓近来，超薄二维体系在纳米材料的可控合成和扑绝缘体，且具有远大于石墨烯的能隙，约为1．55表征领域中

3、已经成为了备受关注的研究热点．在现meV，因而预测在实验上可以观测到量子白旋霍尔有的二维材料体系中，石墨烯是目前研究最为广泛效应．随后，人们还利用电场和磁场对硅烯材料的的[1】．自2004年被首次发现以来，蜂窝状排列的碳本征物理特性进行调控[12-14]．另一方面硅烯上原原子晶体石墨烯以其特殊的物理性质，例如无质量子吸附问题也是人们非常关注的．Sahin等[15]运狄拉克费米子弹道电子输运[3]1反常量子霍尔用第一性原理方法研究了硅烯上吸附碱金属fLi，效应【4]等，在基础物理学和微电子领域有着广泛的Na，K)、碱土金属(Be，Mg，Ca)和3d过渡金属原应用

4、和研究．其研究焦点之一是石墨烯纳米带的电子，结果表明所有金属原子的电子都转移到硅烯子结构【5，61．上，并且原子吸附后的体系所表现出的金属性、半硅烯，一种与石墨烯相似的单原子层硅薄膜，金属性或者半导体性取决于被吸附原子的类型和近来也引起了人们越来越多的研究．与石墨烯相原子半径．Sivek等[16]还研究了硅烯上吸附B，N，比，硅烯材料能够很快地移植到将来的硅基电子工A1和P四种非金属原子，分析了该体系的电子结业中而无需用碳元素替换硅元素．目前，实验上已构，磁性以及振动性质．经有研究人员在Ag和Ir的衬底上成功制备出了硅作为锂离子电池的负极材料，体硅材料可以达烯

5、和硅烯的纳米带【7，81．硅烯与石墨烯的相似性不到的理论容量为4200mA．h／g，比石墨电极容量高仅体现在结构上，更为重要的是体现在电子结构出了约10倍[17]．此外，硅是地球上含量第二的元上．Cahangirov等[9,10】对完美硅烯的理论计算表素，具有资源丰富且对环境无污染，因此硅将作为国家自然科学基金(批准号：11234013，11264014)，教育部留学回国人员启动基金和江西师范大学青年英才培育资助计划资助的课题十通讯作者．E．mail：bxu4~mail．ustc．edu．cn@2014中国物理学会ChinesePhysicalSocietyh

6、ttp：／／wulixb．iphy．ac．c礼217101—1物理学报ActaPhys．Sin．Vo1．63，No．21(2014)217101长分布较为均匀．然而，在存在压应力作用时，我示，同时键长和高度变化也相当大，具体数值参见们却发现结果有所不同．当压应力较小，导致应表1．这样的结果表明锂原子吸附的硅烯衬底在应变￡≥一4％时，优化的原子结构依然没有出现明变￡=-4．5％时是极其不稳定的，在零温下结构就d显的结构扭曲．当E=-4．5％时，硅烯衬底发生己经发生了剧变．当继续加大压应力使得E=一5％了非常大的变化．优化后的结构从俯视图上郴看似时，衬底的结构凸起

7、依然存在，说明硅烯在这种情乎变化不大，然而侧视图上表明结构出现明显的况下也是不稳定的．AA扭曲，整个衬底向着锂原子的方向凸起，如图2所表1不同应力作用下硅烯与锂原子吸附的硅烯体系的结构参数，其中s为晶格应变，f是平均键长，d是垂直于硅烯平面方向上的原子坐标的最大差值增加，且总能曲线近似于抛物线．而当存在单个锂3．2总能与吸附能分析原子吸附的时候，总能曲线却有所不同．拉应力的下面我们从能量的角度分析应力对锂吸附的作用同样使体系的总能单调增加，压应力的作用硅烯体系的影响．图3(a)所示的是纯硅烯和单个在￡≥一4％时也表现出使总能单调增加，然而当锂原子吸附的硅烯的总

8、能曲线．从图中可以看出，E=一4．5％