硅富集现象对熔融石英激光损伤抗性的影响机制及电子缺陷快速增长的动态调控研究

本研究通过密度泛函理论(DFT)揭示了M2AlB2相(M=Sc/Ti/V等)中Al层选择性刻蚀的电子结构-动力学机制，发现Al空位形成能与迁移势垒受过渡金属价电子数调控，弱M?Al键合与强M?B键的电荷密度差异是刻蚀选择性的关键，为MBenes可控合成提供理论指导。

　　

在二维材料研究领域，过渡金属硼化物(MAB相)因其独特的层状结构和可调控的电子特性，成为制备新型二维MBenes材料的关键前驱体。然而，如何实现A元素(如Al)的选择性刻蚀以精确控制MBenes的表面化学性质，一直是制约其应用的瓶颈问题。巢湖大学(Chaohu University)工程陶瓷制备与应用工程技术研究中心的研究团队通过系统的密度泛函理论(DFT)计算，首次建立了M₂AlB₂相刻蚀行为的电子结构-动力学关联模型。

研究采用CASTEP软件包进行第一性原理计算，运用广义梯度近似(GGA-PBE)处理电子交换关联作用，构建含15?真空层的表面模型。通过态密度(DOS)、电荷密度差(CDD)和空位能垒计算等分析方法，系统研究了Sc/Ti/V等八种M₂AlB₂相的刻蚀机制。

晶体结构特性部分显示，所有M₂AlB₂相均呈正交晶系，M原子占据4i Wyckoff位点，形成特殊的层状堆垛。自旋极化态密度分析表明，过渡金属d轨道主导了费米能级附近的电子态分布。

结论部分提出三重机制：1)热力学角度，价电子数较少的过渡金属(如Sc/Ti)对应更低的Al空位形成能；2)动力学角度，Al空位迁移势垒与过渡金属d电子填充程度呈负相关；3)电子结构方面，M?Al键合弱于M?B键的特征体现在电荷密度重分布程度和轨道杂化位置差异。

该研究创新性地将过渡金属电子构型、空位动力学与刻蚀选择性建立定量关联，不仅解释了已有实验现象，更为设计新型MBenes材料提供了"电子结构-刻蚀行为"的预测模型。特别在能源领域，通过调控过渡金属种类可实现MBenes的锂存储容量(<600 mAh g^?1)和催化活性优化，推动其在电池电极和气体传感等方面的应用。研究获得安徽省高校自然科学项目(2024AH051345)和巢湖学院科研启动基金(KYQD-2023052)支持。