摘 要

这些年来，硼碳氮(BCN)二维材料由于具有合适的带隙，且兼具石墨烯和六方氮化硼的优点，例如优异的光电特性，很高的载流子迁移率等，受到了研究人员的广泛关注，为新型材料的研究打开了新的篇章。缺陷是一种调控二维材料性能的有效方法，空位缺陷又是其中最重要的一种，因此研究空位BCN的性能显得尤为重要。

本文主要基于密度泛函理论，对不同碳浓度二维BCN的性能进行了研究，并详细分析了空位缺陷对BCN性能的影响。计算结果表明，所有空位缺陷的形成都需要消耗一定能量，其中B空位的形成能最小；磁性方面，N空位无法引入磁性，而B空位可以使体系具有磁性，C空位的引入可以使C₂(BN)₂和C₃(BN)₁具有磁性；电学性质方面，N空位的引入直接使体系具有了金属性，C、B空位可以使BCN完成由半导体到半金属或金属的转变。这些结果表明空位能够显著调控BCN二维材料的电磁学性质，在纳电子领域有巨大的应用潜力。

关键词：硼碳氮二维材料 第一性原理 缺陷 电子结构

Theoretical study on defect regulation of electronic structure of BCN two-dimensional materials

Abstract

Over the years, BCN two-dimensional materials have attracted extensive attention from researchers due to their suitable band gaps and their advantages of graphene and hexagonal boron nitride, such as excellent photoelectric properties and high carrier mobility, opening a new chapter in the research of new materials. Defect is an effective method to regulate the properties of two-dimensional materials, and vacancy defect is the most important one, so it is particularly important to study the properties of vacancy BCN.

Based on density functional theory, this paper studies the performance of two-dimensional BCN with different carbon concentration, and analyzes the effect of vacancy defect on BCN performance in detail. The results show that all vacancy defects require energy consumption, and the formation energy of B vacancy is the minimum. In terms of magnetism, N vacancy cannot introduce magnetism, while B vacancy can make the system magnetic, and C vacancy can make C₂(BN)₂ and C₃(BN)₁ magnetic. In terms of electrical properties, the introduction of N vacancy directly makes the system have metallic properties, and C and B vacancy can make BCN complete the transformation from semiconductor to semi-metal or metal. These results show that the vacancy can significantly regulate the electromagnetic properties of BCN two-dimensional materials, which has great potential in the field of nano electronics.

Key Words: Two dimensional BCN compounds; First Principle; Defects; The electronic structure

目录

摘要………………………………………………………………………………………………I

ABSTRACT…………………………………………………………………………………II

第一章 绪论……………………………………………………………………………………1

1.1 引言………………………………………………………………………………………1

1.2 BCN的相关介绍………………………………………………………………………1

1.2.1 BCN的概念………………………………………………………………………1

1.2.2 BCN的结构和特性………………………………………………………………1

1.3 BCN的研究现状………………………………………………………………………2

1.4 本课题研究的目的、意义和内容………………………………………………………3

1.4.1 研究的目的和意义………………………………………………………………3

1.4.2 主要研究内容……………………………………………………………………3

第二章 理论基础与计算方法……………………………………………………………4

2.1 理论基础…………………………………………………………………………………4

2.1.1 密度泛函理论……………………………………………………………………4

2.1.2 第一性原理………………………………………………………………………4

2.2 计算与分析软件…………………………………………………………………………4

2.2.1 MS软件…………………………………………………………………………4

2.2.2 VASP软件………………………………………………………………………5

2.2.3 Origin软件………………………………………………………………………5

2.3 本课题采用的研究手段…………………………………………………………………5

第三章 二维BCN的电子结构……………………………………………………………6

3.1 模型和计算方法…………………………………………………………………………6

3.2 结果与讨论………………………………………………………………………………6

3.2.1 二维BCN超胞的能带结构………………………………………………………6

3.2.2 二维BCN超胞的分态密度图……………………………………………………7

3.3 小结………………………………………………………………………………………8

第四章 空位缺陷对C₁(BN)₃电磁学性质的影响………………………………………9

4.1 模型和计算方法…………………………………………………………………………9

4.2 结果与讨论………………………………………………………………………………9

4.2.1 C₁(BN)₃空位缺陷的形成能………………………………………………………9

4.2.2 C₁(BN)₃空位缺陷的磁学性质…………………………………………………10

4.2.3 C₁(BN)₃空位缺陷的电子结构…………………………………………………11

4.3 小结……………………………………………………………………………………13

第五章 不同碳浓度对BCN空位电磁学性质的影响……………………………14

5.1 模型与计算方法………………………………………………………………………14

5.2 结果与讨论……………………………………………………………………………14

5.2.1 BCN空位缺陷的形成能………………………………………………………14

5.2.2 BCN空位缺陷的磁学性质……………………………………………………15

5.2.3 BCN空位缺陷的电子结构……………………………………………………17

5.2 小结……………………………………………………………………………………22

第六章 总结与展望…………………………………………………………………………24

6.1 总结……………………………………………………………………………………24

6.2 展望……………………………………………………………………………………24

参考文献………………………………………………………………………………………25

致谢……………………………………………………………………………………………27

第一章 绪论

引言

在社会发展日新月异、科学技术突飞猛进的今天，传统材料逐渐不足以满足发展的需要，因此，找到性能优异的新型材料被提上了日程。这些年来，二维材料^[1]由于其突出的性能，在各领域被广泛研究，石墨烯^[2]是其中比较典型的代表。石墨烯作为一种具有六边形结构^[3]的二维碳纳米材料，其中C原子以sp²杂化轨道成键^[4]，它拥有很多出众的性质，例如优异的机械性能，电子性能，导热性能等等^[5]，它的电子传输能力也很强。尽管石墨烯性能优异，但在后续研究中发现，石墨烯的禁带宽度即带隙几乎为零，即具有“零带隙”的特点^[6]。这种性质限制了它在半导体领域运用，虽然可以通过外界调控手段打开带隙，但其性能会受影响，且这种调控较难通过实验方法实现。类似的，BN带隙也有宽带隙的缺点^[7]。Wang等人将碳掺杂到层状六方氮化硼(h-BN)中制备了三元BCN化合物^[8]。三元BCN化合物作为石墨烯的一种结构类似物，它的带隙适中，克服了石墨烯零带隙和六方氮化硼宽带隙的缺点，且综合了它们的优点。BCN的成功合成为新型材料研究打开了的新篇章。

而通过实验制备的BCN化合物中会产生大量缺陷，这些缺陷会导致BCN磁矩、能带结构、电子结构的变化，因此缺陷是调制二维BCN性能的一种有效方法^[9]。本文主要研究了C₁(BN)₃，C₂(BN)₂和C₃(BN)₁三种BCN结构，针对不同空位缺陷对其电子结构的调控作用进行了比较，并讨论了这些性能变化机理。

BCN的相关介绍

1.2.1 BCN的概念

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