β-12-硼烯纳米带的边缘依赖性电子和磁响应

《Physica B: Condensed Matter》：Edge-Dependent Electronic and Magnetic Responses of β 12-Borophene Nanoribbons

　　

摘要：

在这项研究中，我们系统地考察了具有之字形和扶手椅形边缘结构的β₁₂-硼烯纳米带在紧束缚模型框架下结合格林函数技术下的电子、热力学和磁学性质。我们同时考虑了反演非对称和反演对称的配置，以阐明边缘几何形状和外部场对系统物理行为的影响。通过分析能带结构和态密度，揭示了在不同条件下纳米带的金属性或半导体性质。此外，我们还评估了在外加电场和磁场存在时，电子热容和泡利磁化率作为温度的函数的变化。实验结果表明，外部场能够有效控制带隙、费米能级附近的态密度以及热力学响应函数。特别是观察到了热容和磁化率的显著异常，这表明外部场改变了低能有效谱的性质。这些发现突显了β₁₂-硼烯纳米带的可调性，并暗示了其在未来纳米电子学和自旋电子学器件中的应用潜力。

引言

近年来，石墨烯[1]、[2]的出现极大地激发了电子学和量子器件领域对二维(2D)材料的兴趣。尽管石墨烯具有优异的机械、热学和电学性能，但由于其由无质量狄拉克费米子构成的无能隙能带结构，这对需要电子带隙的实际应用带来了重大限制。这一挑战促使人们探索其他2D材料，如硅烯[3]、[4]、锗烯[5]、斯坦烯[6]、[7]、二硫化钼[8]、[9]和磷烯[10]。这些材料表现出显著的自旋-轨道耦合和内在的结构各向异性，从而能够产生有质量的载流子以及可调的带隙，这对于下一代纳米电子器件（包括场效应晶体管[11]、[12]）至关重要。与体材料相比，许多这些2D系统展现出了显著增强的或全新的性质，推动它们在广泛的技术领域得到应用[13]、[14]。在这一不断发展的2D材料类别中，硼烯最近因其独特的结构前景而受到广泛关注[15]、[16]。硼烯是层状排列的硼原子构成的准蜂窝晶格结构，已在超高真空条件下通过分子束外延技术成功合成在Ag(111)表面[17]、[18]。最近，实验证实了硼烯中的无能隙狄拉克锥，进一步凸显了其在自旋电子学和高性能纳米电子学应用中的潜力[19]、[20]。与仅具有六角晶格的石墨烯不同，硼烯存在多种不同的结构相，包括α、β₁₂、χ₃和条纹形态，这些结构本身就破坏了对称性[21]、[22]。这种结构多样性导致了狄拉克锥的不对称性和内在的金属性，从而产生了有趣的量子现象和超快速电子响应[21]。在这些相中，β₁₂-硼烯因其卓越的结构稳定性和明显的狄拉克费米子行为而脱颖而出，这一点通过角分辨光电子能谱得到了证实，并得到了多项理论研究的支持[23]、[24]、[25]。由于β₁₂相具有平面结构且与基底之间的相互作用较弱，因此能够成功合成[26]。第一性原理密度泛函理论(DFT)计算进一步表明，通过施加机械应变可以有效调节β₁₂-硼烯的电子各向异性[27]。此外，理论研究表明，其电子相还可以通过静电门控或引入带电杂质来调制[28]。对β₁₂-硼烯纳米带的研究表明，它们的磁性质对带状结构非常敏感[29]。除了这些内在特性外，β₁₂-硼烯还能与多种2D半导体形成良好的接触，从而降低接触电阻并提高未来纳米级晶体管的性能[30]。这些独特特性，加上 strengthen 的电子-声子耦合（在弹道导电区域促进高导电性[31]、[32]、[33]、[34]），使β₁₂-硼烯成为自旋电子学和纳米电子学应用的有希望的材料。结构多样性、可调的电子和磁性质以及良好的界面行为，使得β₁₂-硼烯成为下一代2D器件的理想候选材料。在最近的一系列研究中，使用紧束缚模型分析了施加应变和电场下β₁₂-硼烯单层的电子性质、热容和热导率[35]、[36]。此外，还通过结合紧束缚计算和格林函数技术研究了杂质和磁场存在时β₁₂-硼烯纳米带的电子行为[37]、[38]。然而，尚未有使用紧束缚框架和非平衡格林函数方法全面研究β₁₂-硼烯纳米带的带隙、态密度、热容和磁化率演变的研究。我们在这项研究中的目标是利用紧束缚模型和格林函数形式主义来探讨对称和反对称β₁₂-硼烯之字形和扶手椅形纳米带的电子、热力学和磁学性质。本文的结构如下：第2节描述了理论模型和计算方法；第3节展示了结果并进行讨论；第4节提供了研究的总体结论。

章节片段

理论模型

本节描述了本研究中的计算分析，包括紧束缚哈密顿量、格林函数形式主义以及用于计算β₁₂-硼烯纳米带态密度、热容和磁行为的表达式。首先介绍β₁₂-硼烯纳米带的原子构型。之字形和扶手椅形边缘结构分别如图1(a)和(b)所示。β₁₂-硼烯由一个蜂窝状框架组成

结果与讨论

在前一节中构建了哈密顿量并确定了纳米带系统的能谱后，我们现在基于计算出的能级来分析β₁₂-硼烯纳米带的电子、热力学和磁学性质。我们首先考察了具有反演对称性和反对称性的扶手椅形和之字形边缘结构的电子能带结构。图2展示了计算得到的电子能带结构

展望

总之，我们利用紧束缚模型结合格林函数形式主义系统地研究了β₁₂-硼烯纳米带的电子、热力学和磁学性质。通过研究反演对称和反对称配置，我们阐明了边缘终止和对称性破缺在决定系统物理行为中的关键作用。我们的能带结构分析揭示了明显的边缘依赖性电子响应。

CRediT作者贡献声明

Maryam Nazari：撰写——初稿，研究，概念化。Mona Abdi：撰写——初稿，形式分析，概念化。Erfan Norian：撰写——初稿，形式分析。Bandar Astinchap：撰写——初稿，研究，概念化。J. B. R. Silva：撰写——审稿与编辑，验证。Allan R. P. Moreira：撰写——初稿，方法论，概念化

未引用参考文献

[47]。

利益冲突声明

? 作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的竞争性财务利益或个人关系。

Mona Abdi | Maryam Nazari | Erfan Norian | Bandar Astinchap | Allan.R.P. Moreira | Jo?o B.R. Silva