硅烯缺陷的设计与性能计算+文献综述(3)
具体的，在结构优化和性能计算方面，选择两种模拟方法确保计算的准确性，同时优化计算参数，节约计算资源，主要包括第一原理方法中的平面波方法(VASP) 和原子轨道线性组合方法(Siesta)，为了加快计算速度，增大可以计算模型的尺寸，大部分计算我们将采用原子轨道线性组合方法，为确保计算结果的准确可靠我们通过平面波的方法验证Siesta的计算结果。
1.3.1 第一性原理方法
根据原子核和电子互相作用的原理及其基本运动规律，运用量子力学原理，从具体要求出发，经过一些近似处理后直接求解薛定谔方程的算法，习惯上称为第一性原理。狭义的第一性原理就是从头计算，它是指不使用经验参数，只用电子质量，光速，质子中子质量等少数实验数据去做量子计算。但是这个计算很慢，所以实际操作中就加入一些经验参数，可以大大加快计算速度，当然不可避免的这也会牺牲计算结果精度。广义的第一原理包括两大类，以Hartree-Fork自洽场计算为基础的从头计算和密度泛函理论（DFT）计算。也有人主张，ab initio专指从头算，而第一性原理和所谓量子力学计算特指密度泛函理论计算。
在实际研究中能够采用解析法精确求解的只限于简单势场中的单电子问题。凝聚态物理中，对相互作用多电子体系的求解，需要在研究方法上取得一系列突破性进展后才能实现。利用量子力学基本理论通过自洽计算来确定材料的电子结构、物理和化学性质。由于采用第一性原理方法不需要其它任何可调参数，只需要知道微观体系中各元素的原子序数，它具有半经验方法所不能比的优势。通过计算模拟体系的特征与性质可以更接近真实的情况，因此第一性原理计算还能用与真实实验的补充。与真实实验相比，第一性原理计算可以更快的设计出符合要求的实验。近年来，第一性原理计算，尤其是基于密度泛函理论的第一性原理计算与分子动力学相结合，在设计、合成新型材料及对其进行计算模拟与评价等方面有突破性进展，成为计算机组织模拟技术的重要手段。[24]
1.3.2 SIESTA
SIESTA通常用于分子与固体的电子结构的计算和分子动力学模拟。SIESTA利用标准的Kohn-Sham自恰密度泛函方法，结合局域密度近似(LDA-LSD)或广义梯度近似(GGA)，计算使用完全非局域形式(Kleinman-Bylander)的模守恒赝势。基组是数值原子轨道的线性组合(LCAO)。它允许任意个角动量、多个zeta、极化和截断轨道。计算中把电子波函数和密度投影到实空间网格中，以计算Hartree和XC势及其矩阵元素。除了标准的Rayleigh-Ritz本征态方法以外，程序还允许使用占据轨道的局域化线性组合，使得计算时间和内存随原子数线性标度，因而可以在一般的工作站上模拟几百个原子的体系。程序用Fortran 90编写，可以动态分配内存，因此当要计算的问题尺寸发生改变时，无需重新编译。程序可以编译为串行和并行（需要MPI）模式。
在本文的研究中利用SIESTA程序构建硅烯中各种缺陷的模型，通过一些数据参数的改动，我们可以分析一系列缺陷结构随之产生的变化。其中，由硅烯的晶格常数、原子序数、原子轨道等计算得到各种缺陷的形成能、结构图、能带等结果。通过对这些结果的分析，我们可以找到缺陷结构与性能的对应关系。
2 建立模型
2.1 硅烯
硅烯是一种类似于石墨烯的硅单质。尽管理论研究者很早就猜测存在这种物质并推测了它的性质，但研究人员在2010年才观测到这种硅单质的结构（后来证实是Ag(111)表面的原子结构），[25,26]直到近几年，还只能利用在衬底上外延生长的方法制备硅烯而不是独立硅烯片。不同于石墨烯的平面蜂窝晶格，就像通过密度泛函理论（DFT）计算预测的一样，硅烯是稳定的厚约0.4 Å 的低屈曲晶格。29最重要的是，硅烯类似于具有独特的线性狄拉克锥结构的石墨烯；因此就像石墨烯中的一样，硅烯中的无质量费米子具有约106m/s[27-29]的超高费米速度。[30]这种硅烯片的独特电子性质可以被保留或定制，这也适用于半导体BN和SiC基板。[31]此外，把硅烯融入微电子器件的前景非常诱人，因为它可能会与成熟的硅基半导体技术兼容