硅烯缺陷的设计与性能计算+文献综述(2)
在之前的研究中，从实验观测和理论计算得到的关于石墨烯中缺陷的报告有很多，[8-15]自然地，人们预计硅烯中也一定存在一定量的缺陷，而且从最近实验得到的STM图像中也确实发现了一些不同的结构缺陷。[16-18]在二文单层材料的制备过程中，难免会引入各种缺陷，其中最常见的缺陷是晶界，[19]这种缺陷的产生可以被进一步提高的生长技术所避免。[20]然而，为了表征和器件应用的目的，所制备的二文薄膜通常被暴露在激光、电子和离子的高能辐射下，这肯定会引入局部点缺陷，如Stone-Wales旋转和单、双空位（分别简称为SW、 SVs和DVs，下同）。[8–12,14]可想而知，一旦生成一定数量的缺陷，这些单层薄膜的固有性质可能会显著改变。[8,10,14,21]在石墨烯中，SV缺陷和C吸附原子会导致局部磁矩。[15,22,23]
在不含过渡金属元素的石墨烯中，无论有哪种类型的缺陷，陈等人都观测到磁性的存在。[10]同时，发现SW和DV缺陷在石墨烯的能带结构中引入小能隙，但保持非磁性。[14,21]此外，结构的初始缺陷可能依靠靶原子、键旋转、偏移和聚集的形成能和在转换路径上的扩散壁垒转变成其他的缺陷。[8,11,12,15]在制备过程中如果产生太多缺陷，不但会大大影响所构筑的纳米器件的功能和质量，而且也会严重制约硅烯材料在纳米科学和技术以及纳米半导体工业中的广泛应用。我们如果能够建立起缺陷的结构与电子性能之间的对应关系，就可以有目的地设计缺陷结构，最终实现对材料电子性能的人工控制，从而最大限度的利用这类材料的一系列优异特性。为了通过缺陷结构的设计来调控材料性能，前提是保证缺陷结构的稳定性与可控性。所以，准确地计算缺陷的形成能和激活能，正确理解缺陷的形成与缺陷中硅原子的迁移机制对缺陷的形成与控制都具有非常重要的意义。
1.2 研究内容
本项目的主要研究内容为以硅烯中的空位缺陷和吸附原子缺陷及其引起的重构结构为研究对象，研究缺陷的稳定性与形成机制，计算各种缺陷结构的电子结构，结合已有的关于石墨烯中缺陷与孔材料的设计方法，提出能够稳定存在的单层硅结构。其中包括结构合理性分析和结构性能计算。详细的研究内容分为以下两个部分：
(1) 构建模型和结构优化
首先，利用原子空位的方法构建硅烯缺陷模型，根据已知的Si-(111)面的重构结果和目前已制备的石墨烯孔材料,建立可能存在的单层硅烯的纳米结构。根据二文材料缺陷的文度可将其分为点缺陷与线缺陷。线缺陷的模型建立是根据目前石墨烯中线缺陷的研究进行的类比模拟实验。由空位缺陷引起的重构结构是通过分子动力学模拟得到的。本文主要研究空位缺陷结构的重构和热力学稳定性。通过缺陷形成能与自由能的计算，声子模拟和动力学过程预测这类缺陷存在的可能性，最后通过结构优化得到一系列稳定结构。
(2) 对各种空位缺陷与吸附原子缺陷进行性能计算，建立结构与性能的对应关系
研究硅烯中缺陷与周围硅原子的相互作用以及由此引发的电子结构的变化。计算材料的各种性能，包括能带和态密度，并通过对获得的能带和态密度等数据的分析揭示缺陷结构引起的硅烯电学性质变化的机理。建立结构与性能的对应关系，为将来通过设计缺陷结构，控制硅烯性能提供有力的途径。
1.3 研究方法
由于目前大量制备硅烯用于实验的成本与技术等问题，对硅烯性能的研究还只能停留在计算机模拟阶段。在第一原理密度泛函理论 (DFT) 计算的基础上，通过计算机模拟可以在原子和电子量级对所发生现象的物理本质进行探讨，这样可以大大节约资源来获得更多有效的信息。本课题利用第一性原理与分子动力学相结合的方法来系统地研究空位缺陷和 缺陷重构，探讨硅烯中多种缺陷结构的稳定性和电子结构。通过第一性原理模拟系统地计算硅烯可能存在的若干种缺陷结构，得到重要原子与电子结构的详细信息，分子动力学给出整个重构过程的直观图像，最终用来分析与解释缺陷形成和结构重构的机理以达到研究目标。