氟化碳化硅片的电子和磁性结构研究

0 引言

碳化硅(SiC)是一种极其重要的半导体材料，具有宽的带隙(2.0eV以上)、大的激发能(达100meV)、高的击穿电压、热导率和电子饱和漂移速度、强的抗辐射能力、优良的化学稳定性、小的介电常数等优点［1］;使其在众多的领域如航天航空、人造卫星、核能仪器、雷达通讯等需要高温、高速、高频、高功率的微(光)电子器件方面受到欢迎［2］，是发展前景十分广阔的为数不多的第三代半导体材料之一。有理由相信低维碳化硅纳米结构除了具有上述碳化硅材料的共性，由于量子尺寸效应，很可能有更独特的性质，使得它在纳米传感器、纳米装置方面有突出的应用。特别是2002年Sun等成功的合成了碳化硅纳米管［3］，该纳米管中碳、硅原子的比率为1︰1，尽管为多壁管，但由于层间距超过，因而可看成单壁管，这极大地促进了对SiC低维结构的研究。单壁碳纳米管可看成由单层石墨卷制而成，同样，单壁SiC纳米管可看成单层石墨型SiC片卷绕而成。理论上已有好多研究石墨型一维以及二维SiC纳米结构方面的工作［4－6］。

在本文中，我们通过密度函数理论研究了氟化的二维石墨型单层碳化硅片的电子和磁性结构。

1 计算细节和方法

我们的第一性原理计算采用PBE型交换关联势，在广义梯度近似下采用自旋极化密度函数理论［7］，基于参考文献［8，9］中方法。电子离子互作用采用投影的扩展平面波描述。超元胞含碳、硅与氟原子各4个。相邻的层间距离超过15A。。布里渊区积分采用9×9×1的Monkhorst－Pack型特殊点。平面波截断能取为460eV，能量与原子力收敛分别为10－5与结构优化中对称性不受限制。

2 结果与讨论

由于氟原子只能与碳化硅片中的硅原子成键，而不能与碳原子成键，实际上碳化硅的氟化是其中的所有硅原子被氟化。结构优化首先对氟化的碳化硅片进行。图1是优化后的结构。可以看出，由于氟原子对硅原子的吸引作用，未氟化前的纯SiC片中C与Si原子在同一平面内，氟化后不在共面，而是分属于两个不同平面，这两平面的间距约为，此结果大于，说明氟硅间作用大于氢硅之间;C－Si与F－Si键长分别为由于氟化作用，C － Si键长明显变大。为了研究相对稳定性，我们计算了形成能，定义如下:

其中，ESiC、EF2与 EF－SiC分别表示碳化硅片、氟分子以及相应的氟化碳化硅片的能量。结果表明:单位原胞的形成能为2.662eV，说明所形成的氟化结构具有很强的稳定性。

图1 优化的氟化碳化硅片的几何结构

接下来我们研究氟化碳化硅片的磁特性。为寻找到最稳定的磁状态，我们考察了铁磁、反铁磁以及非磁三种磁构型。结果发现，单位原胞的反铁磁构型能量比铁磁与非磁构型能量分别低88meV及130meV，说明氟化的碳化硅片显示了反铁磁特性。为了进一步描述氟化的效果，我们画出了电子结构与态密度，如图2所示。图2(a)与图2(b)分别对应自旋向上与向下的能带结构，从中可以看出，能量完全是自旋简并的，这是由于结构为反铁磁，费密面以下的最高能量点对应于G=(0，0，0)点，最低能量点对应于 K=(1/3，1/3，0)点，说明氟化的SiC片为间接带隙半导体，带隙为1.04eV，相比于纯的SiC片的直接带隙2.55eV而言明显减少了，这是由于Si的氟化，使得原来的π键遭破坏，C原子上留下了未配对的局域性不太强的电子，同时由于F的2p电子的能级处于原来未氟化时的带隙中，因而带隙减少。图2(c)表示自旋相反的两种电子态密度，由于在任何能量位置，自旋向上与自旋向下的态密度总相等，所以整体上未显示自旋极化，这是由于氟化的碳化硅片内磁耦合为反铁磁方式。图2(d)表示未氟化的局域碳原子的态密度，可以清楚地看出，在费米能级附近，自旋向上与自旋向下的态密度明显不等，说明碳原子自旋极化。从图中还可看出，存在一定的s与p轨道杂化现象。另外，反铁磁性质主要来源于碳的2p轨道的贡献。这些都充分地表明氟化的单层碳化硅片具有明显的反铁磁性质。

图2 自旋分解的能带结构与态密度。

图2中的态密度，向上与向下的图线分别对应自旋向上与自旋向下轨道，实线与虚线分别对应s与p轨道。

3 结论

通过应用密度泛函理论，我们研究了氟化的碳化硅片的电子与磁性结构。发现氟化的碳化硅片为反铁磁间接带隙半导体。局域磁性主要集中于碳原子，大部分由2p轨道贡献。本文的主要意义在于通过完全的非金属元素实现了纳米结构的反铁磁，这对未来的纳米功能材料与自旋电子装置设计提供了一定的指导信息。