金刚石(Diamond)和立方氮化硼(c-BN)是性能十分优异的两种超硬材料，由于其宽带隙、高导热性和化学稳定性而被认为是高温电子、紫外探测器和紫外发光二极管等器件的可行替代材料[1].近年来研究者们可以制备p型掺杂的金刚石，如果在p型金刚石基底上制备n型掺杂的立方氮化硼，进而形成PN结构，将极大推进金刚石和立方氮化硼这两种材料在半导体领域中的应用.相对于块体材料，二维纳米材料由于性能特殊且优异，已成为近些年的研究热点，并在许多领域有着巨大的应用潜能.自2004年发现单原子层石墨材料——石墨烯后，很快人们已经能够成功可控地合成单个或数个原子层石墨烯.二维异质结构的建立促进了对混合层状材料的广泛研究，目前比较常见的异质结构有磷/氮化硼[2]、石墨烯/氮化硼和其他异质结构[3].这些新型低维材料非同寻常的结构和性能使其适合于电磁设备的新应用，与单个二维材料相比，往往具有出色的性能.二维纳米材料的研究热潮大大促进了对立方相结构向层状材料发展的基础研究和应用探索.近年来，二维金刚石材料[4]和二维氮化硼材料[5]的研究应运而生，并通过理论预测发现，二维金刚石和氮化硼材料都具有明显的各向异性以及区别于三维体材料的物理性质.由于氮化硼材料中B-N之间表现出部分离子性，金刚石C-C之间表现共价键的特性，若将BN层和金刚石C层结合起来，必将产生新型的二维夹层结构，有望预测出新型多功能复合纳米膜材料.

因此，受目前提出的二维金刚石和二维氮化硼材料启发，本文通过第一性原理计算，设计以金刚石和氮化硼为基的二维三明治薄层结构，得到其在常压下纳米膜结构特征和电学/光学性质，为能够满足新型电子纳米器件的实际应用提供理论参考依据.

1 计算方法

本文采用基于密度泛函理论的广义梯度近似的理论方法，应用Materials Studio中的CASTEP模块和VASP软件进行计算.在几何优化中，总能量的精度为1.0×10-5eV/原子，截断能为700 eV，优化所有结构和晶格参数，为防止周期之间的相互影响，真空层选择为20 ?.布里渊区k点的网络选择6×6×1.分子动力学计算采用NVT，温度为300 K，间隔为1 fs，共计10 ps.三明治结构中间层为C原子，上下两层为BN原子，初始结构选择为3层，并在BN原子层不同终端通过双侧加氢饱和，超胞选择大小为2×2.

2 结果与讨论

2.1 结构及动力学稳定性判定

优化后的二维三明治结构如图1所示(具体的键长标注在图1上).从图1可以看出，B-H之间的键长为1.223 ?，N-H之间的键长为1.033 ?，在层间N与C、B与C之间均形成sp3键，在层内，B-N之间键长为1.524 ?，略小于BN体材料的1.560 ?，N-B-N之间的键角为108.079°，与体材料的109.471°较为接近，说明BN层保持住较好的立方相特征.对于中间C层，C-C之间的键长为1.575 ?，略大于金刚石体材料的1.540 ?，C-C-C之间的键角为110.116°，略大于体材料的109.471°，这表明BN层对中间C层具有更强的结合力，使得C层发生微小的形变.

图1 二维B-C-N结构Fig.1 Two-dimensional B-C-N structure

为确定二维三明治结构的稳定性，进一步应用动力学和热力学进行稳定性判定，本文采用有限位移的方法，选取一定大小的超元胞，再根据结构的对称性，将原子按特定方式移动离开平衡位置一定距离，计算出对应位移的受力情况，经过多次位移就可以得出结构振动时的受力情况，从而解出声子振动能谱.图2为声子色散曲线，谱线均在0以上说明结构无虚频，表明动力学稳定，但若将BN和C层替换，即上下两层为C层，中间为BN层，声子谱则出现虚频，因此不再考虑这种构型.另外，采用正则系综分子动力学方法(NVT)进一步验证B-C-N结构的稳定性(见图3)，设置温度为300 K，间隔为1 fs，总计时长为9 ps.经过分子动力学测定，结构没有破裂，并且随着温度变化可以保持住三明治结构，说明该结构热力学也稳定.

a.H-N；b.B-C；c.C-N；d.B-H.图4 二维B-C-N结构原子成键的电荷密度Fig.4 Electronic charge density of two-dimensional B-C-N structure atoms

2.2 电子分布

为了进一步探究C-B成键和C-N成键对于电子态的影响，本文对平行于键合方向的电子波函数中的空间电荷分布直接进行了比较，如图4所示.从图4中我们可以清楚地观察到，C-B键中电子电荷被限制得更接近C原子，而C-N键中电子电荷则是更被限制在靠近N原子附近.从图4中我们还可以发现，每个原子上的电荷分布严重扭曲到相邻的原子上，这意味着在H-N、B-C、C-N、B-H之间具有很强的相互作用.由于C、B、N之间不同的电负性，导致电荷的重新分布，并主要集中在N原子周围.

文章来源：《光学与光电技术》 网址: http://www.gxygdjs.cn/qikandaodu/2021/0710/624.html