《Materials Today Communications》：Modulation of Dirac-like Conduction in Two-Dimensional Hexagonal Boron Nitride through Extended Defect Engineering
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二维（2D）六方氮化硼（h-BN）是一种原子级薄材料，以其化学稳定性和绝缘特性而著称，是优异的衬底材料，同时允许在其晶格内进行原子取代。原始2D h-BN的宽带隙限制了其在有源电子器件中的应用。本研究采用密度泛函理论（DFT）结合非平衡格林函数（NEGF）方法
二维（2D）六方氮化硼（h-BN）是一种原子级薄材料，以其化学稳定性和绝缘特性而著称，是优异的衬底材料，同时允许在其晶格内进行原子取代。原始2D h-BN的宽带隙限制了其在有源电子器件中的应用。本研究采用密度泛函理论（DFT）结合非平衡格林函数（NEGF）方法，研究了含扩展缺陷的2D h-BN中的电子输运。研究人员分析了涉及硼、氮和碳原子的原子线取代，形成单原子线缺陷，以及双碳（并苯型）带。研究结果表明，在硼或氮位点上的碳取代（h-B(CC)B和h-N(CC)N）能够在?2.0至+2.0 V的偏压范围内实现欧姆导电，具有类狄拉克输运特性，电导值约为38 mS，这对器件应用而言具有高影响力和重要意义。相比之下，h-N(CC)B构型由于布里渊区X点处的微带隙而保持绝缘。并苯型缺陷产生色散导带，但费米能级附近的透射率降低，产生非线性I-V特性及负微分电阻区域。总体而言，研究结果表明，2D h-BN中的缺陷工程为将输运从绝缘调控至导电状态提供了一条可控途径，能够通过局域态实现类狄拉克导电或抑制导电。
二维六方氮化硼扩展缺陷工程对类狄拉克导电的调控机制研究
一、研究背景与科学问题
自石墨烯和六方氮化硼（h-BN）被成功剥离以来，二维（2D）材料因其优异的物理化学性质而受到广泛关注，在电子学、光电子学和纳米技术领域展现出巨大应用潜力。在原子层状结构中，2D h-BN凭借其约6 eV的宽带隙，成为范德华异质结构中不可或缺的衬底和 protective 层材料。其化学惰性和机械稳定性为其直接集成到纳米电子和光电器件中提供了新的机遇，原子级平滑表面和无电荷陷阱特性进一步增强了相邻层中的载流子迁移率，使其成为高性能二维器件中优选的介电材料。
然而，通过化学气相沉积或机械剥离合成的2D h-BN很少能避免结构缺陷。除局部缺陷外，晶界、位错和取代线等扩展缺陷在2D h-BN中也常被研究。这些缺陷可在宽带隙内引入局域电子态，从而改变其电子输运性质。值得注意的是，嵌入h-BN晶格中的硼（B）、氮（N）或碳（C）原子取代缺陷可诱导电子结构的具体改性。其中，碳掺杂因其能够调控电子性质并引入带隙中间态而备受关注，有效将h-BN转变为适用于纳米电子应用的功能材料。近期实验进展已证明在h-BN沟槽中定向生长石墨烯纳米带的可行性，凸显了在h-BN晶格内集成碳基导电通道的可行性。因此，理解缺陷诱导的导电机制对于评估器件可靠性以及实现缺陷工程化二维系统中的新功能至关重要。
二、研究内容与核心发现
本研究采用密度泛函理论（DFT）与非平衡格林函数（NEGF）相结合的方法，系统研究了含有稳定扩展缺陷的2D h-BN单层中的电荷输运性质。研究人员考虑了单原子（B、N和C）取代之字形线以及相邻双碳线（并苯型缺陷）两类缺陷构型。研究发现，与B或N原子相连的碳线形成具有欧姆行为的导电丝，而插层于B和N之间的碳线则近乎绝缘。并苯型缺陷产生不同的导电特征，但其导电性低于原子线缺陷。这些发现为在h-BN中工程化缺陷介导的导电通路提供了策略依据，为基于这种典型绝缘材料的电子纳米器件创造了新的可能性。
三、关键技术方法
研究人员采用自旋极化DFT框架，通过SIESTA程序实现，使用广义梯度近似（GGA）下的Perdew–Burke–Ernzerhof（PBE）泛函描述交换关联相互作用，采用模守恒Troullier–Martins赝势表示核-价相互作用，价态以双ζ极化（DZP）基组展开。结构弛豫直至所有原子残余力低于0.01 eV/?。电子输运计算采用TranSIESTA模块，该模块将DFT与NEGF形式耦合。器件模型将系统划分为左、右半无限电极和中心散射区三个部分，电极建模为中心区的周期性延伸，包含相同的取代原子线，构成半无限均匀一维纳米线。计算器件通过沿输运方向复制24原子单元构建，总系统包含216个原子，散射区为72个原子，每个电极各72个原子。电流采用Landauer–Büttiker形式计算。
四、研究结果
4.1 形成能与结构稳定性
研究人员计算了代表性24原子周期超胞中一维扩展线缺陷的形成能。形成能按单位长度归一化，以eV/?为单位给出线性形成能密度，为二维片中一维扩展缺陷提供了可靠且与尺寸无关的热力学度量。化学势分别从固态参考态获得：碳的化学势源自原始单层石墨烯片，BN的化学势由原始2D h-BN基体评估。对于非补偿本征和掺杂缺陷线，计算在富氮和富硼化学计量极限下进行。
4.2 电子结构与能带特征
通过分析缺陷构型的电子能带结构，研究人员发现碳取代构型在费米能级附近引入导电态。对于h-B(CC)B和h-N(CC)N构型，能带结构呈现类狄拉克色散特征，表明这些缺陷线能够形成有效的导电通道。相比之下，h-N(CC)B构型在布里渊区X点处出现微带隙，导致其保持绝缘特性。并苯型缺陷则产生色散导带，但费米能级附近的透射率降低。
4.3 输运性质与I-V特性
输运计算结果表明，h-B(CC)B和h-N(CC)N构型在?2.0至+2.0 V偏压范围内呈现欧姆导电行为，电导值约为38 mS，具有类狄拉克输运特性。这一电导水平被认为对器件应用具有重要影响。相反，h-N(CC)B构型在整个偏压范围内保持绝缘。并苯型缺陷产生非线性I-V特性，并在特定偏压区域出现负微分电阻现象，这源于费米能级附近透射率的降低。
五、结论与展望
本研究表明，通过缺陷工程可以在2D h-BN中实现从绝缘到导电的可控输运调控。碳线缺陷与B或N原子相连时形成导电丝，表现出欧姆行为，而碳线插层于B和N之间时则近乎绝缘。并苯型缺陷产生不同的导电特征，但其导电性低于原子线缺陷。这些发现为在h-BN中工程化缺陷介导的导电通路提供了策略依据，为基于这种典型绝缘材料的电子纳米器件创造了新的可能性。该研究展示了缺陷工程在二维材料功能化中的潜力，为设计具有定制电子输运特性的新型纳米电子器件提供了理论基础。
