掺杂对硼酚光电性能的影响

抽象的

硼烯是一种新型的二维材料，具有一系列独特而多样化的特性。然而，大多数研究仍处于起步阶段，并且尚未深入研究。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。我们计算几何结构，电子结构，Mulliken人口分析和杂质的光学性质（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。

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，击球菌提出了具有五边形或六边形形状的准平面硼簇。后来，一些研究人员连续证明，存在一层具有翘曲三角形格子的硼，结构是最稳定的[2- - - - - -7]。在这个时期，唐和伊斯梅尔 - 贝蒂[8]提出一种具有由多个三角形格子和六边形孔的混合物组成的平面结构的单层硼。调用这种结构α.表borophene。其特征是所有硼原子在同一平面上，并且能量低于最稳定的单层硼，以前提出了翘曲的三角形晶格结构。

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通过理论计算预测具有Dirac Cone结构的硼烯。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事实证明，硼烯可以分别从实验制备和理论计算中成为超导体，并计算出超导转变温度。mortazavi等。［14[通过分子动力学方法研究了硼烯烯烯的性能。与石墨烯相比，研究发现硼烯烯在锂离子电池领域具有更多优点。张等人。［15]提出了一种基于硼烯的红外等离子体传感器，可应用于下一代的护理点诊断装置。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。

为了提高陶醉材料的性能，研究人员通常使用吸附和掺杂。Wang等人。［17[研究了硼烯的储氢性能，发现用Ca改性硼烯的储氢效果可达到12.68wt％。Chowdhury等。［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．张等人。［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.- 具有最稳定的结构和半导体结构的致硼烯。所选择的掺杂元件是铝（Al）和镓（Ga），其与硼（B）相同的主组。以上是我们工作的新颖性。具体任务是在掺杂之前和之后分析丙烯烯的电子结构和光学性质。希望研究结果可以为在半导体光电子领域应用硼烯提供理论依据。

2.计算模型与方法

2．1.计算模型

计算模型为α.- 表格硼烯，晶格常数是一个 = 0.5050 nm,b= 0.5050 nm，和c = 3 nm [24]。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) for a B atom whose coordinates are (0.44, 0.67, 0.50) in Figure1(一)．

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, the precision is 1.0 × 10⁻⁶eV/atom，计算涉及的价电子选择如下:b2²2 p¹, 3 s²3 p¹和Ga 3d¹⁰4S.²4P.¹．Brillouin区域集成采用2×3×1蒙卡尔斯特包的形式的对称特殊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]如下： 在哪里E_T为掺杂体系的总能量，n_B是系统中的B原子的数量，E（B）是单个孤立的B原子的能量，E（X)为单个孤立掺杂原子X的总能量，且n是系统中的原子总数。

3。结果与讨论

3．1.几何结构

桌子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_取向表示六x-b键长度的平均长度，当硼烯掺杂时，与杂质原子x相邻，并且E_b是系统的结合能。

从表中可以看出1后,c-AXIS是固定的，并且结构被优化，晶格常数的误差一个和b博尔费蛋白和[24]不超过0.2％和0.4％。同时，平均长度d_B0-B是0.1693 nm，在[29]不超过1.4％。上述两点表示计算模型是可靠的。

作为图1表明，掺杂杂质x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_取向在表格中给出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。

根据表中列出的硼烯系统的结合能值1的价值E_b在Al和Ga掺杂后，既是阴性，均接近未掺杂的系统。它表明X掺杂硼烯系统的结构是稳定的。

３．２．电子结构

数字2- - - - - -4在掺杂之前和之后展示硼烯状态的带结构和电子密度。

作为图2表明，α.- 表格硼烯是一个间接带隙半导体，具有1.396eV，状态的电子密度也显示了带隙的特性。它与计算值为1.40 EV的值非常一致[24]，表明本文中的计算方法和准确性是可靠的。因此，这是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3岁²3 p¹，Ga是3d¹⁰4S.²4P.¹．从状态的电子密度可以看出，与每个原子的S状态电子的贡献相比，P态电子在最外层中的贡献更大。在费米水平附近，由于少量的Al 3P状态电子和GA 4P状态电子和大量的B 2P状态电子具有轨道杂交，因此这导致带隙的变化和减少掺杂后硼烯态的电子密度的峰值。此外，由于GA 3D状态电子的引入，GA掺杂的硼烯烯在-18eV至-16eV的深度水平之间具有五个新能级。

3.3。mluliken人口分析

表中列出了与杂质原子x相邻的B原子的Mulliken人口分析2．

如表2表明，B之间的电荷转移₀B原子仅为硼丙片0.01，表明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.．

如表3.表明，B的人口₀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。光学特性

为了探讨掺杂对光学性质的影响α.- 在掺杂前后硼烯的复杂介电功能，复合介质功能，反射率，折射率，吸收和损失功能。

数字5显示了硼酚的复介电函数。从图中可以看出5（a）硼酚的静态介电常数ε.₁（0）= 2.60。在兴奋剂之后，ε.₁（0）增加到3.21。在GA兴奋剂之后，ε.₁(0)增加到3.57。还可以看到，在未掺杂的情况下，ε.₁（ω.）获得介电峰值E = 1.95 eV, which is caused by the interband transition of the B 2p-state electrons from −4.08 eV to −2.13 eV in Figure2．当Al和Ga掺杂时，在E= 1.28 eV和E = 1.34 eV respectively, and they become the first main peaks. These two new dielectric peaks are mainly contributed by the interband transition of the B 2p-state electrons from −5.91 eV to −4.63 eV and from −5.99 eV to −4.65 eV, as well as a small number of the Al 3p-state electrons and Ga 4p-state electrons. The dielectric peak atE = 1.91 eV is significantly reduced, and it retreats to the second dielectric peak. This is because a small number of Al 3p-state electrons and Ga 4p-state electrons and a large number of B 2p-state electrons have been orbitally hybridized; therefore, the transition between bands is weakened. It can be seen from Figure5（b）认为，在Al和Ga掺杂后，主峰ε.₂（ω.)的复介电函数的虚部E = 4.79 eV is significantly reduced, and a new dielectric peak appears in the low-energy direction. The increase in static dielectric constant and the appearance of new dielectric peaks indicate that Al and Ga doping can enhance the ability of borophene to store electromagnetic energy. The above results indicate that doping can modulate the dielectric properties of borophene.

数字6显示的光学性质α.- 杂质X掺杂之前和之后的物质脱臼。作为图6表明，硼烯材料的反射率可以达到50％以上，静态折射率n₀= 1.61。硼烯对具有516nm的绿光具有最佳吸收效果，可见光，然后对波长为274nm的紫外光吸收效果，基本上不吸收红光和红外光。在附近的一个非常狭窄的区域中获得硼烯烯的损耗功能的峰值E= 3.64 eV，表明硼酚可作为一种光存储材料。

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

我们研究了杂质的影响（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:（1）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。（2）的α.-片硼烯是一种间接带隙半导体，具有1.396 eV。在A1和Ga掺杂之后，价带的顶部的位置保持不变，导电带的底部的位置略微向上移动，这使得掺杂系统宽的带隙，带隙值为1.437 eV and 1.422 eV, respectively.（3）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。（4)Mulliken群体分析表明，B₀-B键主要是共价键，但也有少量离子键。However, when the impurity X is doped, the charge transfer between X and B atoms increases significantly, and the population of the corresponding X-B bonds decreases from 0.54 to 0.08 (Al), 0.28 (Ga), indicating that the covalent bonding strength of the chemical bonds in the doped system is weakened, and the chemical bonds have significant directionality.(5）光学性质的计算表明：静电介电常数的2.60至3.21（Al）和3.57（Ga）增加，新介电峰的外观表明Al和Ga掺杂可以增强硼烯储存电磁能的能力．硼烯材料的反射率可以达到50％以上，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到1.79（Al）和1.89（Ga）增加。同时，它填充了掺杂的硼烯系统的红光和红外吸收的间隙。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。光损失限于掺杂硼丙肾上腺系统的3.64 eV的窄能量范围，表明Al和Ga的引入不会影响硼烯材料作为储料材料的使用。

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。

利益冲突

作者宣布没有利益冲突。

致谢

作者承认了中国安山大学的高性能计算中心的支持。本研究由贵州省教育部青年科技人才增长项目资助（否。[2020] 138）和安山大学材料仿真与计算的重点实验室（授予NO.SXYXKPT201803）。

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