基于meta-GGA近似法可靠预测SiC上石墨烯缓冲层带隙性质及其在太赫兹光电子学中的应用

本刊推荐：为解决石墨烯缓冲层(GBL)在SiC(0001)表面电子结构预测与实验值不符的问题，研究团队采用改进的meta-GGA方法，首次实现了与实验值匹配的带隙(Egap)预测（间接/直接带隙0.65/0.80 eV），并系统分析了其光学性质。该研究为石墨烯基光电子器件设计提供了重要理论依据。

　　

在当代材料科学领域，石墨烯以其独特的狄拉克锥能带结构和优异的电学性质引发了研究热潮。然而本征石墨烯的零带隙特性严重限制了其在半导体器件中的应用。尽管通过量子点、纳米带、应变工程等多种手段尝试打开带隙，但如何在保持石墨烯优异性能的前提下实现可控带隙调制仍是重大挑战。特别值得关注的是，在碳化硅(SiC)衬底上外延生长的石墨烯缓冲层(GBL)展现出大于0.5 eV的实验带隙值，这为石墨烯在光电子学领域的应用带来了新的曙光。

然而令人困惑的是，以往基于密度泛函理论(DFT)的研究始终无法准确再现实验观测到的带隙值：局部密度近似(LDA)计算未能产生带隙，Heyd-Scuseria-Ernzerhof(HSE)和G0W0方法则高估带隙达2.4-2.8 eV，而广义梯度近似(GGA)结合Perdew-Burke-Ernzerhof(PBE)泛函的计算也未能获得令人满意的结果。这种理论与实验之间的显著差异，促使意大利马尔凯理工大学的研究团队开展深入探索。

在最近发表于《Carbon Trends》的研究中，Elaheh Mohebbi等研究人员取得了突破性进展。他们采用改进的meta-广义梯度近似(MGGA)方法，首次成功复现了实验观测到的带隙值，为理解GBL@SiC(0001)体系的电子结构和光学性质提供了全新视角。

研究团队主要采用了几项关键技术：首先利用Quantum ATK(QATK)软件平台进行第一性原理计算，采用线性组合原子轨道(LCAO)基组和PseudoDojo赝势；其次运用MGGA-TB09交换泛函与LDA-PZ关联泛函的组合方法，并系统比较了Medium、High和Ultra三种基组的表现；最后通过分子投影自洽哈密顿量(MPSH)分析分子能谱和HOMO-LUMO间隙，并结合介电函数计算评估光学性质。

3. Results and Discussion部分揭示了重要发现：

通过结构优化发现GBL呈现明显的非平面结构，碳-碳键长从1.42 ?变为1.39-1.48 ?，键角从120°减小至117.91°。GBL与SiC衬底间的平均共价键距离为2.01-3.88 ?。

电子结构分析表明，MGGA-Medium基组计算得到的间接带隙为0.65 eV（价带顶位于K-Γ点，导带底位于K点），直接带隙为0.80 eV（价带顶和导带底均位于K点），与实验值高度吻合。而MGGA-High基组预测的带隙较小（0.32-0.33 eV），MGGA-Ultra则预测为零带隙。

分子能谱分析显示HOMO-LUMO能隙分别为：MGGA-Medium 3.35 eV、MGGA-High 1.94 eV、MGGA-Ultra 2.30 eV。HOMO轨道主要定域在SiC衬底，而LUMO轨道则表现为GBL与SiC的混合态，表明SiC衬底对GBL产生了p型掺杂效应。

光学性质研究取得了令人瞩目的成果：吸收光谱在265 THz和290 THz处分别出现了61801 cm^-1和64833 cm^-1的两个特征峰，对应xx和yy面内偏振方向。光学带隙约为181 THz，远高于本征石墨烯的零吸收特性。介电函数实部Re(ω)沿xx、yy面内和zz面外偏振方向的静态值分别为2.34、2.32和1.07。折射率n的静态值相应为1.58、1.52和1.03，消光系数κ的初始非零值约为12.08 THz。

研究结论部分强调，本研究通过精确优化超晶胞结构和合理描述GBL与SiC衬底间的非共价/共价键相互作用，首次实现了与实验值吻合的带隙预测。MGGA-Medium基组展现出最佳性能，其预测的直接带隙为0.80 eV，间接带隙为0.65 eV。光学性质分析表明GBL@SiC(0001)异质结构在太赫兹频率范围内具有显著的光吸收能力，这为开发石墨烯基太赫兹光电子器件提供了理论基础。

该研究的重要意义在于：不仅解决了长期存在的理论预测与实验值不符的问题，而且为石墨烯在光电子学应用，特别是太赫兹放大器和探测器领域开辟了新的可能性。通过构建石墨烯与掺杂衬底的异质结构，可以有效调控其电子和光学性质，这为未来高性能光电子器件的设计提供了重要指导。研究结果对推进碳化硅上石墨烯缓冲层在高速电子学、高灵敏度传感器和量子计量等领域的应用具有重要价值。