Электронная структура мультислойных аллотропов 2D-карбида кремния

А.В. Калашников, А.В. Тучин, Л.А. Битюцкая показать трудоустройства и электронную почту
Получена: 29 декабря 2018; Исправлена: 10 марта 2019; Принята: 11 марта 2019
Цитирование: А.В. Калашников, А.В. Тучин, Л.А. Битюцкая. Электронная структура мультислойных аллотропов 2D-карбида кремния. Письма о материалах. 2019. Т.9. №2. С.173-178
BibTex   https://doi.org/10.22226/2410-3535-2019-2-173-178

Аннотация

В работе на основе квантово-химических расчетов из первых принципов проведено исследование размерного политипизма и структуро-зависимых свойств низкоразмерного карбида кремния(SiC), полученного на основе монослоев SiC со стехиометрическим составом 1:1.Переход от объемного материала к структурам пониженной размерности (2D, 1D) сопровождается не только появлением новых электрофизических свойств, но и изменением симметрии элементарной решётки, вызванным нарушением дальнего порядка в одном или нескольких кристаллографических направлениях. Поэтому особый интерес представляет исследование явления политипизма в 2D и квази-2D кристаллах. В настоящей работе на основе квантово-химических расчетов из первых принципов проведено исследование размерного политипизма и структуро-зависимых свойств низкоразмерного карбида кремния (SiC), полученного на основе монослоев SiC со стехиометрическим составом 1:1. Установлено, что 2D-аллотропы SiC образуют семейство полупроводниковых структур с различной зонной структурой (как прямозонные, так и не прямозонные полупроводники) и зарядовыми свойствами. Более глубокий анализ геометрических и энергетических параметров позволил установить возможность устойчивого существования 4 топологических типов 2D SiC, отличающихся способом укладки и порядком чередования слоёв, а полученные аллотропные модификации не характерны для объемного материала. Учёт пространственного разделения заряда в результате формирования ковалентной полярной связи между атомами углерода и кремния, составляющими структуру, позволил обнаружить формирование эффективного заряда в пределах монослоя. В результате анализа величины и знака удельного поверхностного заряда была установлена корреляция данного параметра и геометрии оптимизированной структуры. Таким образом, учет зарядовых свойств 2D SiC позволяет проследить структурные изменения в системе, идентифицировать конкретный аллотроп и установить порядок укладки монослоев. Характерные закономерности в распределении заряда являются предпосылкой для получения композитных материалов на основе 2D аллотропов SiC.

Ссылки (42)

1. K. S. Novoselov, A. K. Geim, S. V. Morozov, D. Jiang, Y. Zhang, S. V. Dubonosov, I. V. Grigirieva, A. A. Firsova. Science. 306, 666 (2004). Crossref
2. A. K. Geim. Science. 324, 1530 (2009). Crossref
3. L. Kou, Y. Ma, X. Tau, T. Frauemanheim, A. Du, S. Smith. J. Phys. Chem. C. 119 (12), 6918 (2015). Crossref
4. A. K. Geim, I. V. Grigorieva. Nature. 499, 419 (2013). Crossref
5. G. Constantinescu, A. Kuc, T. Heine. Phys. Rev. Lett. 111, 036104 (2013). Crossref
6. J. N. Coleman, M. Lotya, A. O’Neill, S. D. Bergin, P. J. King, U. Khan, K. Young, A. Gaucher, S. De, R. J. Smith. Science. 331, 568 (2011). Crossref
7. Z. Y. Zeng, Z. Y. Yin, X. Huang, H. Li, Q. Y. He, G. Lu, F. Boey, H. Zhang. Angew. Chem. Int. Edit. 50, 11093 (2011). Crossref
8. F. Matusalem et al. Scientific Reports. 7, 15700 (2017). Crossref
9. Z. H. Zhang, W. L. Guo. Phys. Rev. B. 77, 075403 (2008). Crossref
10. P. Vogt, P. Padova, C. Quaresima. Phys. Rev. Lett. 108, 155501 (2012). Crossref
11. H. Sahin, S. Cahangirov, M. Topsakal, E. Bekaroglu, E. Aktrk, R. T. Senger. Phys. Rev. B. 80, 155453 (2009). Crossref
12. J. Guan, D. Liu, Z. Zhu, D. Tománek. Nano Letters. 16, 3247 (2016). Crossref
13. I. I. Dolgih, D. V. Avdeev, T. V. Kulikova, L. A. Bityutskaya. KSMF. 20 (2), 305 (2018). (in Russian) [И. И. Долгих, Д. В. Авдеев, Т. В. Куликова, Л. А. Битюцкая. КСМФ, 20 (2), 305 (2018).]. Crossref
14. T. V. Kulikova, A. V. Tuchin, A. A. Averin, D. A. Testov, L. A. Bityutskaya, E. N. Bormontov. Journal of Technical Physics. 7, 1025 (2018). (in Russian) [Т. В. Куликова, А. В. Тучин, А. А. Аверин, Д. А. Тестов, Л. А. Битюцкая, Е. Н. Бормонтов. Журнал технической физики. 7, 1025 (2018).]. Crossref
15. E. Martínez-Periñán, C. W. Foster, M. P. Down, Y. Zhang, X. Ji, E. Lorenzo, D. Kononovs, A. I. Saprykin, V. N. Yakovlev, G. A. Pozdnyakov, C. E. Bank. Journal of Carbon Research. 3, 20 (2017). Crossref
16. S. Chabi, H. Chang, Y. Xia, Y. Zhu. Nanotechnology. 27, 075602 (2016). Crossref
17. P. Li, R. Zhou, X. C. Zeng. Nanoscale. 6, 11685 (2014). Crossref
18. N. Alaal, V. Loganathan, N. Medhekar, A. Shukla. Phys. Rev. Applied. 7, 064009 (2017). Crossref
19. M. S. Manju, K. M. Ajith, M. C. Valsakumar. Mechanics of Materials. 120, 43 (2018). Crossref
20. F.-Z. Ramadan, H. Ouarrad, L. B. Drissi. J. Phys. Chem. A. 122 (22), 5016 (2018). Crossref
21. S. D. Guo, J. T. Liu. Phys. Chem. Chem. Phys. 20, 22038 (2018). Crossref
22. N. Nouri, G. Rashedi. J. Semicond. 39, 083001 (2018). Crossref
23. P. Miró, M. Audiffreda, T. Heine. Chem. Soc. Rev. 43, 6537 (2014). Crossref
24. B. Peng, Y. Zhang, Y. Wang, H. Guo, L. Yuan, R. Jia. Phys. Rev. B. 97, 054401 (2018). Crossref
25. G. Gao, N. W. Ashcroft, R. Hoffman. J. Am. Chem. Soc. 135 (31), 11651 (2013). Crossref
26. X. Liu, X. Shao, B. Yang, M. Zhao. Nanoscale. 10, 2108 (2017). Crossref
27. M. Naseri. Physics Letters A. 382 (10), 710 (2018). Crossref
28. Z. Shi, Z. Zhang, A. Kutana, B. I. Yakobson. ACS Nano. 9 (10), 9802 (2015). Crossref
29. M. Zhao, R. Zhang. Phys. Rev. B. 89, 195427 (2014). Crossref
30. A. L. Falk, P. V. Klimov, V. Ivády, K. Szász, D. J. Christle, W. F. Koehl, Á. Gali, D. D. Awschalom. Phys. Rev. Lett. 114, 247603 (2015). Crossref
31. H. Kraus, V. Soltamov, F. Fuchs, D. Simin, A. Sperlich, P. V. Baranov, G. Astakhov, V. Dyakonov. Scientific Reports. 4, 5303 (2014). Crossref
32. P. Hohenberg, W. Kohn. Phys. Rev. 136, B864 (1964). Crossref
33. W. Kohn, L. Sham. Phys. Rev. 140, A1133 (1965). Crossref
34. A. A. Lebedev, N. V. Agrinskaya, S. P. Lebedev. Technical Physics Letters. 45 (5), 634 (2011). (in Russian) [А. А. Лебедев, Н. В. Агринская, С. П. Лебедев. Письма в ЖТФ. 45 (5), 634 (2011).]. Crossref
35. B. Li, P. Ou, Y. Wei, X. Zhang, J. Song. Materials. 11 (5), 726 (2018). Crossref
36. A. Z. Aizahrani, G. P. Srivastava. Braz. J. Phys. 39 (4), 694 (2009). Crossref
37. M. Polini, A. Tomadin, R. Asgari, A. H. MacDonald. Phys. Rev. B. 78, 115426 (2008). Crossref
38. R. S. Mulliken. J. Chem. Phys. 23, 1833 (1955). Crossref
39. E. V. Castro, K. S. Novoselov, S. V. Morozov. Phys. Rev. Lett. 99, 216802 (2007). Crossref
40. Y. Zhang, T. Tang, C. Girit. Nature. 459, 820 (2009). Crossref
41. M. F. Craciun, S. Russo, M. Yamamoto. Nature nanotechnology. 4, 383 (2011). Crossref
42. Z. Liu, W. S. Lew, Q. J. Wang. Nanoscale Research Letters. 8 (335), 1 (2013). Crossref

Финансирование на английском языке