功能化硅樹脂的電磁特性：第一性原理研究Fu-bao zheng and Chang-wen zhang摘要：基于第一性原理的計算，我們研究氫和溴在硅樹脂上滲透的結構和電磁的二維特性。發現完全滲透的硅樹脂呈現非磁性的半導體的表現。而只有一面有氫和溴的半滲透導致在硅原子上出現小范圍的和不成對的電子，各自表現出鐵磁體半導體的或半金屬的特性。總能量計算表明半氫化硅樹脂呈現鐵磁體的規則，而半溴化的一側呈現反鐵磁體的性質。關鍵詞：第一性原理，硅樹脂，鐵磁性，居里溫度背景：最近，因為低維石墨烯獨特的電子特性和其將來在納光電子方面潛在的應用價值吸引了大量興趣，因此它是在物理學和納米技術領域最具有研究價值材料之一。然而，石墨烯在大面積生長上面臨巨大挑戰，更重要的是不符合當前的硅基電子技術。相對應的石墨烯，在二維六角堆積硅樹脂最近從二硅化鈣上化學脫落。最近更深入研究，硅納米帶被固定在銀基底的沉積物上。硅基納米材料的合成開辟了學習他們的物理和化學屬性道路, 它的額外的好處是兼容的與現有的半導體設備。化學功能化通常是一個調整二維結構的電磁特性調整的有效方法，例如石墨烯，BN,AIN,和CdS片，特別是據報道用氫氣平面化學修飾引起了在沒有3d和4f元素摻雜情況下鐵磁體在二維碳基材料上的大范圍有序生長。不會受3d和4f元素摻雜的材料的沉積物和次生相形成的影響,這對實際應用帶來不利。對于硅基底的納米結構，Jose和Datta報道了硅樹脂和笨化硅簇的結構和電子特性，指出硅樹脂簇可能成為FET和氫儲存有希望的材料。因為硅樹脂最近剛被意識到，它在磁性條件下硅樹脂表面吸收外來原子的效果還沒有被徹底的開發。在現在的信里，根據第一計算原理，我們關注在硅樹脂上吸收氫和鹵素溴后實現鐵磁性的可能性，它可看做是硅樹脂的電子特性是可調的，尤其是鐵磁有序和鈑金屬性可通過吸收H和Br原子來實現。這可能打開一條在自旋電子學上設計硅基底納米結構的道路。方法：所有的預測都是使用軟件包和密度功能能理論。使用廣義梯近似和450ev截止能量作為平面波基組。對于Si，H,Br在3s23p2, 1s1和 4s24p5價電子構型各自使用贗勢法。依據Monkhorst-pack方案，布里淵區在991 k點，15 15 1 k點集成以獲得電子特性。幾何學的對稱無限制的優化通過共軛梯度計劃演示出來直到最大的哈密頓-赫爾曼力小于0.01 eV/。結論和討論：硅樹脂單的調查模型如圖1a所示。晶包里有八個硅原子。計算出Si-Si的鍵長是d1 = 2.27 ，這與先前的研究吻合很好。與石墨烯不同的是，更大的Si-Si的鍵長削弱了- 重疊，導致sp3的低彎曲結構(h = 0.45 )像雜化軌道（圖1b）。為檢查單個H被吸附的位置，我們考慮在硅上三種不同的吸收立體基陣，如頂位，橋位和谷位，如圖1a所示。結構的相對穩定性決定于結構能，其定義為Ef = E（H：硅樹脂）-E(硅樹脂)- 1/2nH，E（H：硅樹脂）和E(硅樹脂)分別是超晶包有雜質和沒雜質是的總能量。H是氫氣的化學勢，n是H原子在硅樹脂上的濃度。從計算結果看，T的結合能是最低的，如圖1c所示。因此，對于氫原子T位置是穩定的吸收位置，暗示氫化硅的生長可以充分利用沉積物技術，這能控制二維材料以避免長成三維的小島。當硅樹脂吸附在基底上，通常長生只有一個氫功能化的平面的半裝飾片，它也可以通過對硅樹脂的（0001）面添加垂直外電場來實現。因此，我們考慮半氫化硅樹脂的結構，在頂端Si1原子被氫化，Si2原子保持未飽和狀態（如圖2a）。在純凈的硅樹脂里，Pz軌道垂直于Si環系統一起混合形成微弱但是大量存在的結合網。當一半的硅原子被氫化，H原子會和Si1原子形成很強的粘合，導致sp3的氫和硅原子雜交，同時Si2原子保持sp2雜交，這使得在Si2上未飽和的的電子被固定下來并且未配對，導致每個晶胞中Si2以整數磁矩被自旋極化。檢驗是否集體磁有序，能力差異，鐵磁性和反鐵磁性之間，發現0.068eV，因此鐵磁有序是一個穩定的基態。我們用公式kBTC/2= EAFM- EFM從平均場近似法預測居里溫度，其中是結構尺寸，kB是波爾茲曼常數。我們發現構型為HSi1計算出來的居里溫度為300K，在自旋電子學里的實際應用時很理想的。最近研究表明表面鹵素的飽和是一個調整Si納米線的電子特性的很有效的方法。Zhou et a同時表明氟原子裝飾在石墨烯或是碳納米管上不同位置會產生令人滿意的磁特性。近期Yaya et al研究溴化處理石墨烯和石墨，預言了有趣的電子特性。因此研究鐵磁性是否由例如鹵素Br的吸收引起是一個非常有趣的研究。當硅樹脂兩面充分被溴化（如圖3a），我們發現它呈現出無磁半導體的表現，直接能帶為1.47eV（圖3b），這比氫化硅樹脂小得多。在只有一半硅樹脂被溴化(BrSi1)的情況下，Bader分析顯示以局部磁矩為每個晶包1.0B形成自旋極化，一半硅樹脂氫化情況與此類似。更有趣的是，能帶接近費米能級呈現一個金屬的自選減弱通道和一個半導體的自旋上升通道，帶寬為1.73-eV，因此半金屬性質伴隨著100%自旋極化電流的獲得，暗示了基于硅樹脂建立旋轉設備的一種可行方法。為確定在BrSi1里Br誘導的半金屬性的磁穩定性，我們計算磁性，反磁性和非磁性的總能量差異。我們發現反鐵磁性的狀態是0.17和0.51 eV每單位晶包的能量低于鐵磁和非磁性狀態。表明BrSi1表現出一個反鐵磁性的行為。為了根據MSi1(M = H或Br)片磁性質后面的源，自旋密度的項密度(PDOS)和等值面如圖4所示。局部磁力矩主要由不飽和Si2原子在費米能級附近的3p電子產生，HSi1和BrSi1分別是0.27和0.24B，飽和的硅原子帶有很小的磁矩（圖4）。然而在BrSi1吸附的Br原子產生一個0.11 B的磁矩，比H在HSi1里產生的磁矩(0.05 B)大。最近John et al.研究分層鎳alkanethiolates和雙核的鎳(II)復合體的磁相互作用。他們發現整個磁系統的行為取決于鐵磁和反鐵磁相互作用競爭微妙的平衡關系。然而在HSi1里，因為在3p狀態的價電子比在d和f狀態的價電子更加活躍。更大的空間擴展促進遠程交換鐵磁耦合，由于擴大了p-p交換。事實上,波函數的擴展的尾巴已經被提出調解在非磁性元素摻雜的遠程鐵磁性納米結構5。結論：總之，根據第一性原理計算結果，我們研究了2D六角硅樹脂吸收H和Br原子后的電子結構和磁特性。我們發現硅樹脂雙面飽和吸收后呈現的非磁性半導體行為。對于只有一個硅樹脂面形成的半飽和吸，HSi1的收呈現鐵磁性行為，BrSi1由于不飽和的Si2原子小范圍不配對電子呈現半金屬特性。總能量的計算