硼烯的剥离与磁性研究

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2004年石墨烯的成功制备,使得二维材料引起了研究者的密切关注,而且近年来合成单层二维(2D)材料中的大多数具有特殊性质和重要的潜在应用。作为碳的近邻,硼具有丰富的化学多样性,其单层同素异形体在过去几年中备受关注。最近,在银基底上成功制备出了硼烯。硼烯具有许多优良的性质,然而硼烯与银基底之间存在显著地相互作用,而且硼烯剥落后可能由于电子环境的变化而发生相变。因此,从基底上剥离硼烯而不发生相变成为其进一步应用的先决条件。若β12硼烯与基底之间的相互作用减弱,可以以类似于石墨烯的方式与基底分离。先前的研究表明石墨烯和基底之间嵌入原子能够有效地削弱它们之间的相互作用。另一方面,硼烯是非磁性的,这极大地限制了其在自旋电子器件中的应用。掺杂或吸附3d过渡金属(TM)原子是石墨烯性能调控的常用手段,是实现其自旋极化的有效方法。受这些成就的启发,在这项研究中,我们将利用计算对硼烯的剥离和磁性进行研究。我们使用DFT方法在硼烯未吸附原子和吸附Li/Mg原子以及硼烯与Ag(111)基底之间嵌入Li/Mg原子这三种的情况下对β12硼烯的剥离情况进行了系统的研究。结果显示由于低的扩散能垒很容易就可以被吸附原子间的库伦排斥结合热能克服,因此吸附原子Li和Mg在硼烯上倾向于彼此分离和均匀分布。这些吸附原子Li/Mg将硼烯和基底之间的相互作用转化为范德华力相互作用,使得硼烯的剥落更容易。尽管Li/Mg原子很难穿过硼烯的六角孔洞渗入到硼烯层下,但它们有可能在低于β12硼烯的典型制备温度的情况下,从扶手椅型边缘渗入硼烯层之下。渗入的Li/Mg原子能将硼烯和基底分离,低浓度渗入与高浓度相比分离效果更好,但是这也导致硼烯和Li/Mg原子之间的库仑吸引以及Li/Mg原子与银基底之间的库仑吸引的出现。该项研究可以为从金属基底上剥离硼烯的实验提供理论指导,以及促进硼烯在锂离子电池中相关应用的研究。我们利用第一性原理研究了吸附Fe,Co和Ni原子的β12硼烯的磁性。结果表明Fe与Co修饰的体系在高原子吸附浓度(Θ=1)条件下显示出磁性特征。虽然两个体系整体上看均倾向于反铁磁,但沿着相邻孔洞方向是铁磁的,这可能在自旋输运方面有所应用,而Ni修饰的体系呈现出非磁性状态。三种体系均显示出金属导电性,这种特性主要由过渡金属的d轨道贡献。当原子吸附浓度Θ=1/8时,Fe修饰的体系更倾向于铁磁状态,Co修饰的体系虽呈现出反铁磁状态,但是沿着垂直孔洞方向仍然是铁磁的。Ni修饰的体系依然是非磁性的。此外,低浓度吸附时,体系的运输性质由B-p轨道与TM-d轨道共同承担。Fe和Co修饰的体系显示出的特性将会促进硼烯在自旋电子器件中的应用。
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