非金属掺杂类石墨烯结构的窄带隙设计与载流子迁移率调控研究

针对石墨烯零带隙限制其在半导体领域应用的难题，研究人员通过密度泛函理论(DFT)系统研究了B、N、P、Si等非金属掺杂对类石墨烯结构C8 的电子特性调控。研究发现Si掺杂可精准打开窄带隙，N掺杂在保持结构稳定性同时实现最高载流子迁移率，为下一代纳米电子器件设计提供了理论依据。

　　

石墨烯自2004年被成功剥离以来，因其独特的sp²
杂化蜂窝状结构和卓越的物理化学性质，被视为革命性材料。然而其本征零带隙特性严重制约了在光电器件中的应用，这如同给"完美导体"套上了枷锁。传统金属掺杂虽能调控带隙，却伴随涡流损耗和环境敏感性等弊端。在此背景下，西安电子科技大学的研究团队另辟蹊径，选择非金属元素作为"晶格手术刀"，通过《Journal of Alloys and Compounds》发表的研究揭示了B、N、P、Si掺杂对类石墨烯结构C₈
的精准调控机制。

研究采用维也纳从头算模拟软件包(VASP)进行密度泛函理论(DFT)计算，运用广义梯度近似(GGA)下的PBE方法分析电子结构，结合声子谱和分子动力学模拟验证稳定性。通过构建C₇
X(X=B/Si/N/P)掺杂模型，系统评估了几何构型、能带结构、载流子迁移率和力学性能等关键参数。

【几何与稳定性】部分显示，C₇
X中Si掺杂形成最强的C-Si键(1.87 ?)，而N掺杂保持最接近原始石墨烯的键长(1.42 ?)。声子谱分析证实B/N掺杂及Si掺杂模型Ⅰ具有动力学稳定性，为后续性能研究奠定基础。【电子结构】研究表明，Si掺杂成功打开0.38 eV的直接带隙，B/N掺杂则分别产生0.25 eV和0.18 eV的间接带隙，首次实现从金属性到半导体性的可控转变。特别值得注意的是，N掺杂体系的载流子迁移率高达2.5×10³
cm²
V^-1
s^-1
，较原始结构提升近两个数量级。【机械性能】部分揭示所有稳定掺杂结构均保持>500 GPa的杨氏模量，Si掺杂模型更展现出独特的各向异性应变响应。

这项研究的意义在于建立了非金属掺杂-带隙宽度-载流子迁移率的定量关系图谱：Si作为"带隙工程师"可精确调控禁带宽度，而N扮演"电子高速公路设计师"角色，在几乎不牺牲迁移率的前提下实现半导体化。该成果不仅为石墨烯在柔性电子、光电传感器等领域的应用扫清了理论障碍，更开创了通过单原子掺杂协同优化二维材料多性能参数的新范式。正如研究者强调的，这种"元素替换"策略相比传统异质结构建更具工艺兼容性，为后摩尔时代纳米电子器件设计提供了原子级精准的解决方案。