h-BN和ZrS2二维复合材料的结构与电子结构的第一性原理计算研究(3)
2.2 吹冰方氮化硼
2.2.1 吹冰方氮化硼的结构和性质
氮化硼(BN)是一种重要的非氧化材料，它是碳的等电子体,其性能和晶体结构与C相似，它有四种不同形式的变体，其中吹冰方氮化硼（h-BN）是目前研究得比较多的一种晶型[8]。h-BN是一种类石墨材料，其性质与石墨相似,其颜色又呈象牙白色，故又有“白石墨”之称。这种“白石墨”的晶格常数与石墨很接近，具有较好的机械性能和导热性。它的化学性质也很稳定，几乎对所有的熔融金属都呈化学惰性，同时具有良好的电绝缘性和很强的中子吸收能力,因而广泛用于陶瓷、耐火、电工、催化等领域 [9]。C. Y. Zhi, Y. Bando等利用基于密度泛函理论的第一性原理方法研究二文吹冰方氮化硼-石墨烯杂化单原子的电学性质，他们的研究结果显示：将三角形石墨烯薄片嵌入二文h-BN中或三角形h-BN嵌入石墨烯中，均会在其能带结构的导带与价带中引入带间态，且带间态的形态与杂化方式有关，导体性与半导体性质间可以相互转换，并通过不同的杂化形式调制杂化结构的电子结构[10]。
1.2 h-BN晶体结构其中白色为B原子，黑色为N原子。
3 理论基础：
由于计算能力的不足，早期科学研究以理论和实验为主，其中理论研究通常使用唯象理论,随着凝聚态物理学和量子化学等相关基础学科的不断完善,现在可以完全从量子力学基本原理出发计算体系的各种性质[11]。这就使得计算成为一种重要的独立于理论和实验的研究手段，在帮助人们理解实验结果的同时，又可以验证理论猜想的正确性，并逐步发展成与理论和实验形成三足鼎立的态势。一个体系的电子空间与能量分布，决定了体系的大多数性质，也就是说知道体系的电子结构，就可以知道体系的性质。目前，以从密度泛函理论为基础分析体系电子结构的第一性原理计算，是材料科学领域内使用最广泛的研究方法和手段。
3.1 密度泛函理论
任何体系都有相应的薛定谔方程，通过求解体系的薛定谔方程，得到体系的波函数，我们就能从微观角度了解体系的各种性质。然而，求解薛定谔方程是极其困难，除了氢原子等少数体系外，一般都难以获得得准确的解析解[12]。实际生活中，我们所要处理的问题往往是多粒子体系，这些体系中都含有不但包含大量的粒子，不同粒子间又存在各种相互作用，这就是使所要研究的问题更加复杂，很难得到体系的解析解。因此，在处理多体问题时，特别是对固体物质的计算，必须采用一系列的近似和简化[13]。
3.1.1 Born-Oppenheimer近似——绝热近似
所谓的绝热近似方法就是将一个多粒子的复杂问题转化为一个多电子问题，其核心思想是把核的运动和电子的运动分开，在考虑电子运动时，认为原子核是不动的；考虑原子核运动时，认为原子核是在快速运动电子提供的平均场内运动。
在没有外场的情况下，固体的定态薛定谔方程可以写为：
= （2.1）
其中 ， 分别是离子的位置矢量与电子矢量。在固体材料中，原子核的质量要远远大于电子的质量，因此原子核的运动速度要比电子的速度小得多,基于这一事实，波恩（M.Born）和奥本海默（J.E.Oppenheimer）做出了这样的绝热近似，即可以认为电子的运动发生在固体的原子核或离子实的势场内[14]。这就把求解多粒子系统的问题转化为求解多电子问题