摘 要

近几年，二维材料硼烯在中美科学家合作下被成功研制出来，因具有独特的材料性质而引起学术界的广泛重视，而含点缺陷的硼烯的研究比较少。作为一种刚问世的新材料，充分探究特性规律、发掘应用潜力有着很大的意义。

本文主要利用第一性原理计算软件materials studio分别对含单空位缺陷和双空位缺陷的硼烯结构和光学性质进行研究。

研究得出以下结论：

1.对已经进行结构优化后的硼烯模型引入缺陷，结果表明缺陷会破坏硼烯的周期规律结构，改变了化学键长，变化程度以缺陷附近为中心递减；

2.引入缺陷后的硼烯光学性质发生了很大变化，本文计算了含缺陷硼烯的反射谱和吸收谱，空位缺陷使完美硼烯的反射峰和吸收峰的位置和个数发生了变化，同时总体上反射系数的值增大而吸收系数减小。

关键词：硼烯；第一性原理；缺陷

Abstract

In recent years, two-dimensional material borophene has been successfully developed in cooperation with Chinese and American scientists, which has attracted much attention from the academic circles because of its unique material properties, while the research of borophene with point defects is comparatively few. As a new material, it is of great significance to fully explore the law of characteristics and explore the potential of application.

This paper mainly uses the first principle computational software materials studio to study the borophene structure and optical properties of mono-vacancy (MV) defect, di-vacancy (DV) defect.

The study concludes:

1. The defect of the borophene model after the structural optimization has been carried out, the result shows that the defect can destroy the periodic structure of the borophene, change the length of the chemical bond and decrease the degree of change by the center of the defect.

2. After the introduction of defects, the optical properties of the borophene have changed greatly, this paper calculated the reflection spectrum and absorption spectrum of the defective borophene, and the vacancy defects have changed the position and number of the perfect borophene reflection peak and the absorption peak, while the value of the reflection coefficient increases and the absorption coefficient decreases.

Keyword: Borophene；First-principle；Defects

目 录

第1章 绪论 1

1.1 引言 1

1.2 研究现状 1

1.3 制备方法 1

第2章 第一性原理 3

2.1 Hartree-Fock近似和Born-Oppenheimer绝热近似方法 3

2.2 密度泛函理论 4

2.2.1 Hohenberg-Kohn 定理 5

2.2.2 Kohn-Sham 方程 5

2.2.3 局域密度近似(LDA) 6

2.2.4 广义梯度近似(GGA) 7

2.3 第一性原理计算软件 8

2.3.1 软件介绍 8

2.3.2 计算步骤 9

第3章 晶体中的缺陷 11

3.1 晶体缺陷概述 11

3.2 点缺陷 12

3.2.1 点缺陷的名称 12

3.2.2 点缺陷的类型 12

3.2.3 点缺陷的统计理论 14

3.2.4 点缺陷对晶体光学性质的影响 15

第4章 硼烯中缺陷的计算 16

4.1 模型建立 16

4.2 模型优化 18

4.2.1 单空位缺陷优化 18

4.2.2 双空位缺陷优化 19

4.2.3 能带结构 20

4.3 光学性质 20

4.3.1 反射系数 21

4.3.2 吸收系数 22

4.3.3 分析 23

第5章 总结与展望 24

参考文献 25

致谢 26

第1章 绪论

1.1 引言

近年来，计算机、通信、自动化等电子产业方面科技水平的飞速发展给人们的生活带来很大便利，电子器件的尺寸越来越小的同时并没有影响其性能变得越来越好。在此阶段中以硅基材料为代表的新材料发挥了巨大的作用，但是随着器件的尺寸的不断缩小，硅器件和以硅为基础的集成电路发展已经触及其材料性质所决定的理论极限。一方面，在光刻精度等方面，工艺上线宽已经减小到极限，；另一方面，不断缩小的器件尺寸会让一些物理效应在一定程度上使器件的正常工作受到影响，严重的会使器件失效。所以，为了解决这一原理上的瓶颈问题，迫切需要一种特性更为优良的新型材料^[1]。

1.2 研究现状

在过去的十几年间内，有关2D材料的研究因石墨烯的问世而迅速爆发。这些具有独特电学特性的材料，有望用于制作新型的外观体积小、响应速度快的电子器件。与石墨烯相比，硼烯具有更高的导电性，表现为真正的金属，而这一点则与石墨烯则是大相径庭，因为石墨烯是零带隙的半导体。这就使得硼烯可作为更为有效的金属接触^[2]。硼烯所具有金属性质和比较薄的原子厚度使得硼烯可以广泛应用于从电子产品到光伏设备等各个领域^[3]。2015年6月，来自于中国天津南开大学和国外多所高校的众多科学家合作研究，第一次获得了一种有着卓越物化性质的硼二维材料——“硼烯”，在科学界引起很大重视 ^[4]。初步研究表明，硼烯具有许多有趣的物理化学特性，具有很大的潜在应用价值。然而，与只有单层原子的石墨烯不同，这种硼薄膜不是自支撑存在的，而是依附于某种金属基底上的。硼是元素周期表中最为迷人的元素之一，已知其具有16种同素异形体，然而在此之前没有发现它的二维形态。预言这种形态的结构是比较困难的，因为与形成石墨烯2D层的碳不同，硼没有层状结构的同素异形体^[5]。

1.3 制备方法

与存在于石墨中的以层状结构存在的石墨烯不同，自然界中没有以层状材料存在的硼。研究人员利用化学气相沉积的方法制得硼团簇和纳米管。但是，这些技术所需要的设施特别昂贵，同时还需使用价格同样昂贵的有机前躯体，如乙硼烷。为了制得硼薄膜，研究者通过在超高真空腔室中加热单晶银衬底的方法来生长硼薄膜。研究人员使用了电子束蒸发技术，使得硼原子从450℃至700℃的硼固体棒上蒸发出来，气化后的硼粒子在真空中被转移到了以银为衬底的靶平面上，最后沉积成一层硼薄膜。

第2章 第一性原理

本文中全部计算采用的方法是基于密度泛函理论(density functional theory)的第一性原理(first-principles)方法。第一性原理计算，又称从头(ab-initio)计算，是指根据原子中本身存在的相互作用原理和基本运动规律，依据量子力学原理，从具体要求出发，求解经过一些近似处理后的体系薛定谔方程的一种计算方法。第一性原理计算中所采用的基本计算模型只涉及各元素的电子结构及一些基本的物理量，比如光速、普朗克常数等；涉及相对论、薛定谔方程、电磁相互作用和能量最低原理等多个物理规律。

第一性原理计算时，处理多个电子体系基态的计算中坚持的基本思路如下：首先是在绝热近似的基础上(在电子运动的时候，认为原子或离子静止于其瞬时位置)，这样就把多粒子的多体问题转变为多电子问题。再通过Hartree-Fock近似，或者是密度泛函理论，把问题研究对象从多电子转化为单电子，从而把求解多电子体系的比较复杂的薛定谔方程简化为求解相对容易的单电子方程。第一性原理的计算方法在大体上可以分为Hartree-Fock近似方法和密度泛函理论（DFT）方法两类。