ACMP 凝聚态物理进展 1687 - 8124 1687 - 8108 Hindawi 10.1155 / 2021/3718040 3718040 研究文章 掺杂对硼酚光电性能的影响 https://orcid.org/0000-0001-7763-5061 张 Chunhong 1 2 https://orcid.org/0000-0002-4378-6109 张 中正 1 2 杨ydF4y2Ba Wanjun 1 2 秦 鑫茂 1 2 费尔南多 Gayanath 1 电子与信息工程学院 安顺大学 安顺 贵州561000年 中国 asu.edu.cn 2 航空电子与信息网络工程中心 安顺大学 安顺 贵州561000年 中国 asu.edu.cn 2021 1 7 2021 2021 10 5 2021 22 6 2021 1 7 2021 2021 版权所有©2021张春红等。 这是一篇在知识共享署名许可下发布的开放存取的文章，它允许在任何媒体上无限制地使用、传播和复制，只要原始作品被适当地引用。

硼酚是一种新型的二维材料，具有一系列独特而多样的性能。然而，大多数研究仍处于起步阶段，尚未深入研究。特别是在半导体光电子领域，还没有关于硼酚光电性质调制的相关研究。本文采用第一性原理赝势平面波方法研究了掺杂对硼酚光电性质的影响。我们计算了杂质的几何结构、电子结构、Mulliken布居分析和光学性质( X= Al, Ga)掺杂 α表borophene。结果表明 α-片硼烯是一种间接带隙半导体，具有1.396 eV。Al和Ga掺杂后禁带宽度变宽，禁带宽度分别为1.437 eV和1.422 eV。由于少量Al-3p电子与Ga-4p态电子以及大量b2p态电子在费米能级附近发生轨道杂化，掺杂后硼酚的能带隙发生变化，态电子密度峰值降低。Mulliken群体分析表明，B0-B键主要是共价键，但也有少量离子键。然而,当掺杂杂质X, X和B原子之间的电荷转移显著增加,和相应的取向的人口债券减少,表明共价键强度的化学键掺杂系统减弱,和化学键有明显的方向性。光学性质计算表明，硼酚材料的静态介电常数增大，并出现新的介电峰，说明Al和Ga的掺杂增强了硼酚储存电磁能量的能力。掺杂后，峰值反射率降低，静态折射率降低 n0增加，也填补了硼酚材料对红光和红外光吸收的空白。研究结果为硼烯材料在红外探测器件领域的发展提供了依据。上述结果表明，掺杂可以调节薄膜的光电特性 α表borophene。

 贵州省教育厅 [2020] 138 安顺大学材料模拟与计算重点实验室 Asxyxkpt201803 1.介绍

硼烯作为硼低维结构的代表，是一种新型的二维材料。因此，其结构和性能受到了强烈的关注和广泛的研究。

对硼酚结构的理论研究可以追溯到1995年[ 1］.当时，Boustani提出了准平面硼团簇的存在，其形状有五边形或六边形。后来，一些研究者相继证明存在一层具有翘曲三角形晶格的硼单层，且该结构最稳定[ 2- - - - - - 7］.唐、伊斯梅尔-贝吉[ 8]提出了一种由多个三角形晶格和六方孔洞混合构成的平面结构单层硼。这个结构叫做 α表borophene。其特点是所有硼原子都在同一平面上，其能量低于之前提出的最稳定的弯曲三角形晶格结构单层硼。

研究发现硼酚由于其丰富的结构而具有多样化的性质。Zhou et al. [ 9]通过理论计算预测了具有狄拉克锥结构的硼酚。Mannix等人[ 10通过实验证明硼酚的结构具有各向异性和高电导率。Xu等[ 11]研究了硼酚的场发射特性以及响应快、稳定性好的特点。Penev等人[ 12和赵等人[ 13]分别从实验制备和理论计算证明硼酚可以成为超导体，并计算了超导转变温度。Mortazavi等人[ 14]采用分子动力学方法研究了硼酚在锂存储中的性能。研究发现，与石墨烯相比，硼酚在锂离子电池领域具有更多优势。Zhang等[ 15]提出了一种基于硼酚的红外等离子体传感器，可应用于下一代即时诊断设备。冯等人[ 16发现了在硼酚中存在具有量子效应的狄拉克费米子。

为了提高硼酚材料的性能，研究人员通常采用吸附掺杂的方法。Wang等[ 17]研究了硼酚的储氢性能，发现钙改性硼酚的储氢效果可达12.68 wt%。乔杜里等人[ 18]利用密度泛函理论研究了掺杂氢、锂、铍和碳的硼酚的电子和光学性质。研究发现，掺杂后的狄拉克点发生了分裂和移动，从而改变了光学性质。Ishaq等[ 19]用第一性原理研究了超卤素掺杂硼酚在电子器件中的非线性光学性质。Chen等[ 20.利用密度泛函理论研究了激发P掺杂硼酚作为锂离子电池负极材料。Thanh等人[ 21]研究了电荷掺杂对硼酚机械强度的影响。Tu等人[ 22]研究了Li掺杂硼酚能显著改善SO的吸附性能和电子性能2．Zhang等[ 23]研究了三维过渡金属原子插入硼酚的电子和磁性能。

由于硼酚的独特性质和广泛应用，努力调节硼酚的储氢效应、锂存储效应、吸附性能、电子性能、磁性、光学性能仍处于起步阶段;对硼酚的性质调控进行进一步的研究仍是必要的。特别是在半导体光电子领域，还没有关于硼酚光电性质调制的相关研究。

本文采用第一性原理赝势平面波方法研究了掺杂对硼酚光电性质的影响。我们研究硼酚是 α-片硼烯具有最稳定的结构和半导体结构。所选择的掺杂元素为与硼(B)同属主族的铝(Al)和镓(Ga)。具体任务是分析硼酚掺杂前后的电子结构和光学性质。希望研究结果能为硼酚在半导体光电子领域的应用提供理论依据。

 2.计算模型与方法 2．1.计算模型

计算模型为 α，晶格常数为 一个= 0.5050海里, b= 0.5050 nm，和 c= 3nm [ 24］.的模型 α-片状硼酚含有48b原子，如图所示 1(一)．杂质掺杂硼酚的模型如图所示 1 (b)和 1 (c)．这些模型是通过取代一个杂质原子X ( X= Al, Ga)，图中B原子坐标为(0.44,0.67,0.50) 1(一)．

模型 α表borophene。(一)无掺杂;(b)铝掺杂;(c) Ga掺杂。

 ２.２.计算模型与方法

计算方法为第一性原理赝势平面波法。超软赝势[ 25]用于处理离子核与电子之间的相互作用，而PBE泛函[ 26用广义梯度近似的方法来处理电子间的交换相关能。集 E截止= 240 eV，精度为1.0 × 10−6eV/atom，计算涉及的价电子选择如下:b222 p1, 3 s23 p1和Ga 3d104 s24 p1．布里渊区积分采用2 × 3 × 1 Monkhorst-Pack形式的对称特殊k点法[ 27]，设置72 × 45 × 135 FFT网格参数。考虑到GGA计算出的带隙值较小，在计算电子结构和光学性质时进行剪刀修正，剪刀值设为1.37 eV。

结合能的表达式 E b［ 28]的内容如下: (1） E b ＝ E T − n B E B − E X n ， 在哪里 E T为掺杂体系的总能量， n B是系统中B原子的数量， E（ B)为单个孤立B原子的能量， E（ X)为单个孤立掺杂原子X的总能量，且 n为系统中原子的总数。

 3.结果与讨论 ３．１．几何结构

表格 1列出了X掺杂杂质的结构参数和结合能 α表borophene, d B0-B表示相邻中心原子B的6个B-B键的平均长度0当硼酚未掺杂时， d 取向为硼酚掺杂时相邻杂质原子X的6个X- b键长度的平均长度 E b是系统的结合能。

的结构参数和结合能 α表borophene ( X= Al, Ga)。

样本 一个(nm) b(nm) dB0-B(nm) d取向(nm) E b(eV)
Borophene 0.5060 0.5070 0.1693 - - - - - - −5.267
铝掺杂borophene 0.5120 0.5128 - - - - - - 0.1880 −5.393
Ga掺杂borophene 0.5127 0.5134 - - - - - - 0.1896 −5.146

从表中可以看出 1后, c-轴是固定的，结构是优化的，误差的晶格常数 一个和 b在硼酚和[ 24，不超过0.2%和0.4%。同时，平均长度 d B0-B为0.1693 nm，在0.167 nm范围内的误差在[ 29不超过1.4%。以上两点说明该计算模型是可靠的。

如图 1显示 ，掺杂X杂质后， α-片硼烯仍然具有二维平面结构，但掺杂后结构发生了畸变。这些变化可以直接从键长的变化中看出 d 取向表中给出 1．键长变化的原因是每个原子的共价半径不同。例如，B、Al和Ga的共价半径分别为0.084 nm、0.121 nm和0.122 nm。由于杂质原子X的共价半径大于B的共价半径，因此 d 取向比的大 d B0-B．此外，由于Ga的共价半径大于Al, Ga掺杂引起的结构畸变比Al掺杂更严重。

根据表中列出的硼酚体系的结合能值 1的价值 E bAl和Ga掺杂后均为负值，与未掺杂体系的值相近。表明X掺杂硼酚体系结构稳定。

 ３．２．电子结构

数据 2- - - - - - 4显示硼酚掺杂前后的能带结构和态电子密度。

硼烯的电子结构。

铝掺杂硼酚的电子结构。

镓掺杂硼酚的电子结构。

如图 2显示 ， α-片硼烯是一种间接带隙半导体，带隙电子密度为1.396 eV。与计算值1.40 eV非常吻合[ 24，说明本文的计算方法和精度是可靠的。因此, α扩展了硼酚在制备新型纳米光电子器件中的应用。

从图中可以看出 3.和 4Al和Ga掺杂后，价带顶部位置不变，导带底部位置略有上升，使得掺杂体系的禁带变宽，禁带值分别为1.437 eV和1.422 eV。已知B的价电子排布为2s22 p1， Al是3s23 p1而Ga是3d的104 s24 p1．从态的电子密度可以看出，相对于每个原子的s态电子的贡献，最外层的p态电子的贡献更大。附近的费米能级,因为少量的铝3 p电子和Ga 4 p电子和大量的B 2 p能级电子轨道杂化,这使得带隙的变化和电子态密度的峰值下降后borophene兴奋剂。此外，由于Ga三维态电子的引入，Ga掺杂硼酚在−18 eV到−16 eV的深能级之间有5个新能级。

 ３．３．马利肯人口分析

B原子与杂质原子X相邻的Mulliken布居分析列于表中 2．

杂质原子周围原子的穆里肯布居分析。

样本 原子 年代 p d 总计 收费(e)
Borophene BB0 0.690．63 2.312．38 00 2.993.01 0．01−0.01
铝掺杂borophene B艾尔 0.91−0.02 2.530.18 00 3.44０．１６ −0.442.84
Ga掺杂borophene B遗传算法 0.850.35 2.450.53 09.97 3．3010.86 −0.292.44

如表 2显示 ，B之间的电荷转移0硼酚中B原子含量仅为0.01，说明B0-B键主要是共价键，但也有少量的离子键组成。而当掺入杂质X时，X与B原子间的电荷转移明显增加，说明X-B键的共价强度减弱，离子性增强，化学键具有明显的方向性。X掺杂硼酚体系的化学键特征也可以从表中的居群分析中直接看出 3.．

杂质原子周围能带的穆里肯布居分析。

样本 乐队 人口
Borophene B0- b 0.54
铝掺杂borophene Al-B 0．08
Ga掺杂borophene Ga-B 0.28

如表 3.显示 ，故选B0硼酚中的-B键是0.54。掺杂X杂质后，X- b键的居布率降低，分别达到0.08 (Al)和0.28 (Ga)。种群数的减少表明掺杂体系中化学键的共价键强度减弱，而离子键强度增加。以上Mulliken布居分析表明，杂质的引入可以使掺杂硼酚体系中原子间化学键的性质多样化。

 3．4．光学性质

为了探讨掺杂对薄膜光学性能的影响 α进一步计算了硼酚掺杂前后的复介电函数、反射率、折射率、吸收和损耗函数。

数字 5显示了硼酚的复介电函数。从图中可以看出 5(一个)硼酚的静态介电常数 ε1(0) = 2.60。铝掺杂后, ε1(0)增加到3.21。Ga掺杂后, ε1(0)增加到3.57。还可以看到，在未掺杂的情况下， ε1（ ω)得到一个介电峰在 E= 1.95 eV，这是由图中b2态电子从−4.08 eV跃迁到−2.13 eV引起的 2．当Al和Ga掺杂时，在 E= 1.28 eV和 E= 1.34 eV，成为第一主峰。这两个新的介电峰主要是由于b2态电子从−5.91 eV跃迁到−4.63 eV和从−5.99 eV跃迁到−4.65 eV，以及少量的Al 3p态电子和Ga 4p态电子。介电峰在 E= 1.91 eV显著降低，并回落至第二介电峰。这是因为少量的Al 3p态电子和Ga 4p态电子以及大量的b2态电子已经进行了轨道杂化;因此，波段之间的过渡减弱了。从图中可以看出 5 (b)认为，在Al和Ga掺杂后，主峰 ε2（ ω)的复介电函数的虚部 E= 4.79 eV显著降低，在低能方向出现新的介电峰。静态介电常数的增加和新的介电峰的出现表明Al和Ga的掺杂可以增强硼酚的储能能力。上述结果表明，掺杂可以调节硼酚的介电性能。

硼酚的复介电函数。(一) ε1（ ω）;(b) ε2（ ω)．

数字 6显示的光学性质 α-片硼酚在杂质X掺杂前后。如图 6显示，该硼酚材料的反射率可达到50%以上，且静态折射率较高 n0= 1.61。硼酚在可见光中对波长为516 nm的绿光的吸收效果最好，对波长为274 nm的紫外光的吸收效果次之，基本不吸收红光和红外光。硼酚的损失函数的峰值是在一个很窄的区域附近 E= 3.64 eV，表明硼酚可作为一种光存储材料。

硼酚的光学性质。(一)反射率。(b)的折射率。(c)的吸收。(d)损失函数。

Al和Ga掺杂后，硼酚的峰值反射率降低到45%以下。铝掺杂后 n0增加到1.79,Ga掺杂后， n0增加到1.89。对绿光的吸收效果明显减弱，对紫外光的吸收效果基本不变，但掺杂后填补了红光和红外吸收的空白。因此，掺杂硼酚体系可用于开发红外探测器。在附近 E= 3.64 eV时，Al掺杂后损耗函数峰值减小，Ga掺杂后损耗函数峰值增大，但掺硼酚体系的光损耗限制在一个较窄的能量范围内。结果表明，掺硼酚材料也可作为一种光存储材料。

 4.结论

我们已经研究了杂质( X= Al, Ga)掺杂对光电性能的影响 α利用第一性原理赝势平面波方法，研究了一种新型的含硼吩类化合物。结果表明:

掺杂后硼酚的结构发生了畸变，但掺杂体系的结构是稳定的。

的 α-片硼烯是一种间接带隙半导体，具有1.396 eV。艾尔和Ga掺杂后,价带顶的位置不变,和导带底部的位置略有上升,这使得掺杂体系的带隙宽,和带隙值1.437 eV和1.422 eV,分别。

在费米能级附近，少量的Al 3p态电子、Ga 4p态电子和大量的b2态电子发生轨道杂化，硼酚的能带隙发生变化，掺杂后的态电子密度峰值降低。

Mulliken群体分析表明，B0-B键主要是共价键，但也有少量离子键。而当掺杂杂质X时，X和B原子间的电荷转移显著增加，相应X-B键的布居数从0.54降低到0.08 (Al)、0.28 (Ga)，表明掺杂体系中化学键的共价键强度减弱。化学键有明显的方向性。

光学性质的计算表明:静态介电常数从2.60 (Al)和3.57 (Ga)增加到3.21 (Al)和3.57 (Ga)，并出现新的介电峰，说明Al和Ga的掺杂增强了硼酚储存电磁能量的能力。该材料的反射率可达50%以上，并具有静态折射率 n0= 1.61。掺杂后，反射率峰值降至45%，静态折射率下降 n0从1.61 (Al)增加到1.79 (Ga)和1.89 (Ga)。同时填补了掺杂硼酚体系对红光和红外吸收的空白。研究结果为硼烯材料在红外探测器件领域的发展提供了依据。掺硼酚体系的光损耗限制在3.64 eV左右的狭窄能量范围内，说明Al和Ga的引入并不影响硼酚材料作为光存储材料的使用。

上述结果表明，掺杂可以调节薄膜的光电特性 α表borophene材料。

 数据可用性

用于支持这项研究结果的数据包括在文章中。

 的利益冲突

作者声明不存在利益冲突。

 致谢

作者感谢中国安顺大学高性能计算中心的支持。本研究由贵州省教育厅青年科技人才成长项目资助(编号:079701);[2020]138);Asxyxkpt201803)。

 Boustani 我。 小硼团簇的结构和稳定性。密度泛函理论研究 化学物理快报 1995 240 135 140 10.1016 / 0009 - 2614 (95) 00510 - b 2 - s2.0 - 11844290168 翟 h·J。 Kiran B。 李 J。 王 l S。 硼簇的碳氢类似物——平面性、芳香性和反芳香性 自然材料 2003 2 12 827 833 10.1038 / nmat1012 2 - s2.0 - 0344875968 翟 h·J。 Alexandrova a . N。 桦木 k。 Boldyrev 答:我。 王 l S。 八原子和九原子硼团簇分子轮中的七配位和八配位硼:观察和确认 Angewandte Chemie国际版 2003 42 48 6004 6008 10.1002 / anie.200351874 2 - s2.0 - 0346094024 埃文斯 m . H。 Joannopoulos j . D。 Pantelides s T。 平面和管状硼结构的电子和力学性能 物理评论B 2005 72 4 045434 10.1103 / physrevb.72.045434 2 - s2.0 - 33749233631 Alexandrova a . N。 Boldyrev 答:我。 翟 h·J。 王 l S。 全硼芳香族簇合物是化学领域潜在的新型无机配体和结构块 配位化学的评论 2006 250 21 - 22日 2811 2866 10.1016 / j.ccr.2006.03.032 2 - s2.0 - 33747761588 Kunstmann J。 科万特 一个。 宽硼片和硼纳米管:结构、电子和机械性能的从头计算研究 物理评论B 2006 74 3. 035413 10.1103 / physrevb.74.035413 2 - s2.0 - 33745941132 唐 H。 Ismail-Beigi 年代。 硼片和纳米管的第一性原理研究 物理评论B 2010 82 11 15 10.1103 / physrevb.82.115412 2 - s2.0 - 77957716215 唐 H。 Ismail-Beigi 年代。 硼纳米管的新型前驱体:硼片中两中心和三中心键合的竞争 物理评论快报 2007 99 11 115501 10.1103 / physrevlett.99.115501 2 - s2.0 - 34548792831 周 x F。 越南盾 X。 Oganov a。R。 朱 Q。 田 Y。 王 H.-T。 半金属二维硼同素异体与无质量狄拉克费米子 物理评论快报 2014 112 085502 10.1103 / physrevlett.112.085502 2 - s2.0 - 84897734619 曼尼克斯 a·J。 周 x F。 基拉 B。 硼烯的合成:各向异性的二维硼晶型 科学 2015 350 6267 1513 1516 10.1126 / science.aad1080 2 - s2.0 - 84950268448 徐 J。 常 Y。 氮化镓 l 马 Y。 翟 T。 用于增强电光性能的超薄单晶硼纳米片 先进的科学 2015 2 6 1500023 10.1002 / advs.201500023 2 - s2.0 - 84951171936 佩内夫 大肠。 Kutana 一个。 Yakobson 我。 二维硼能超导吗? 纳米快报 2016 16 4 2522 2526 10.1021 / acs.nanolett.6b00070 2 - s2.0 - 84964601969 赵 y . C。 曾 s M。 倪 J。 二维硼同素异形体的超导性 物理评论B 2016 93 014502 10.1103 / physrevb.93.014502 2 - s2.0 - 84955510743 Mortazavi B。 Dianat 一个。 Rahaman O。 Cuniberti G。 Rabczuk T。 硼酚作为储存钙、镁、钠或锂离子的阳极材料:第一性原理研究 电源杂志 2016 329 456 461 10.1016 / j.jpowsour.2016.08.109 2 - s2.0 - 84984822399 张 J。 张 Z。 首歌 X。 张 H。 杨 J。 二维各向异性材料硼烯的红外等离子体传感 纳米材料 2021 11 5 1165 10.3390 / nano11051165 冯 b . J。 Sugino O。 刘 r . Y。 硼酚中的狄拉克费米子 物理评论快报 2017 118 096401 10.1103 / physrevlett.118.096401 2 - s2.0 - 85014713445 王 J。 杜 Y。 太阳 l 钙修饰的新型硼片:一种潜在的储氢介质 国际氢能杂志 2016 41 10 5276 5283 10.1016 / j.ijhydene.2016.01.039 2 - s2.0 - 85027926813 Chowdhury 年代。 Majumdar 一个。 Jana D。 H、Li、Be和C掺杂改性的8-Pmmn硼酚单体的电子和光学性质:DFT方法 应用物理 2019 125 5 360 10.1007 / s00339 - 019 - 2649 - y 2 - s2.0 - 85064917155 Ishaq M。 Shehzad r。 Yaseen M。 伊克巴尔 年代。 Ayub K。 伊克巴尔 J。 超卤素掺杂硼酚非线性光学性质增强的DFT研究 分子模拟杂志 2021 27 6 188 10.1007 / s00894 - 021 - 04791 - 4 陈 H。 张 W。 唐 x Q。 掺p硼酚锂离子电池负极材料第一性原理研究 应用表面科学 2018 427 198 205 10.1016 / j.apsusc.2017.08.178 2 - s2.0 - 85028777985 Thanh 诉V。 范 n D。 Truong d . V。 挂 n . T。 硼烯的电荷诱导高性能驱动 物理学报D:应用物理 2021 54 10 115504 10.1088 / 1361 - 6463 / abc8b5 你 X。 徐 H。 王 X。 李 C。 风扇 G。 楚 X。 原始和li掺杂硼酚作为探测和清除SO的候选材料的第一性原理研究2气体 纳米技术 2021 32 32 325502 10.1088 / 1361 - 6528 / abfabc 张 X。 太阳 Y。 马 l 赵 X。 姚 X。 通过过渡金属原子插层调制双层硼烯的电子和磁性:从金属到半金属和半导体 纳米技术 2018 29 30. 305706 10.1088 / 1361 - 6528 / aac320 2 - s2.0 - 85061734382 吴 X。 戴 J。 赵 Y。 卓 Z。 杨 J。 曾 x C。 二维硼单层片 ACS Nano 2012 6 8 7443 7453 10.1021 / nn302696v 2 - s2.0 - 84865603261 范德比尔特 D。 广义特征值形式中的软自洽赝势 物理评论B 1990 41 11 7892 7895 10.1103 / physrevb.41.7892 2 - s2.0 - 20544463457 Perdew j . P。 伯克 K。 Ernzerhof M。 简化了广义梯度逼近 物理评论快报 1996 77 18 3865 3868 10.1103 / physrevlett.77.3865 2 - s2.0 - 4243943295 Monkhorst h·J。 包 j . D。 布里渊区域积分的特殊点 物理评论B 1976 13 12 5188 5192 10.1103 / physrevb.13.5188 2 - s2.0 - 1842816907 肖 B。 冯 J。 周 c . T。 兴 j . D。 谢 x J。 陈 y . H。 Cr的电子结构和稳定性的第一性原理研究7C3.多组分的碳化物类型 化学物理快报 2008 459 1 - 6 129 132 10.1016 / j.cplett.2008.05.072 2 - s2.0 - 45449099240 杨 x B。 丁 Y。 倪 J。 稳定薄片和硼纳米管的从头计算预测:结构、稳定性和电性能 物理评论B 2008 77 041402 10.1103 / physrevb.77.041402 2 - s2.0 - 37749025164