《Physica B: Condensed Matter》：Electronic structure modulation of dumbbell silicene nanoribbons by size effects
编辑推荐：
•一个关键宽度（nL = n10，~15.800 ?）控制着DB-SiNRs的稳定性转变：多层结构在窄带中更稳定，而单层结构在宽带中被优先选择。•带隙表现出宽度-层数耦合的振荡和奇偶依赖性特征，可在0-0.427 eV范围内实现精确调谐，并可控制半导体-金属转变。•电荷分布主
- •
一个关键宽度（nL = n10，~15.800 ?）控制着DB-SiNRs的稳定性转变：多层结构在窄带中更稳定，而单层结构在宽带中被优先选择。
- •
带隙表现出宽度-层数耦合的振荡和奇偶依赖性特征，可在0-0.427 eV范围内实现精确调谐，并可控制半导体-金属转变。
- •
电荷分布主要由宽度带主导，窄带显示边缘局域化极化，宽带显示对称均匀性；堆叠层进一步调制极化并诱导聚集电荷模式。
- •
单层DB-SiNRs表现出强电子结合和稳定性，双层结构显示明显的尺寸依赖性传感灵敏度，三层结构提供平衡的电子获取/损失能力。
引言
在石墨烯被发现[1]之后，该材料迅速成为凝聚态和材料研究的中心话题，为研究低维结构中的新量子行为提供了多功能平台，并推动了下一代器件技术的发展[2]。其独特的狄拉克锥电子结构和优异的导电性吸引了科学界的广泛关注，特别是对于IV族元素类似物[3], [4], [5]。其中，硅烯作为一种低维纳米材料脱颖而出，因为它与基于硅的微电子技术的天然兼容性[6]。然而，自由硅烯存在动力学不稳定性且本征带隙为零，这严重限制了其在半导体器件中的应用[7], [8]。因此，作为通过原子吸附或晶格重构形成的新型二维结构，哑铃状硅烯被理论预测为更稳定的硅基态[9]。其独特的对称性相对于低翘曲硅烯降低了约218 meV/原子的总能量[10]，并提供了可调的电子性质，为拓扑绝缘体等量子相的实现奠定了基础[11]。
在哑铃状硅烯结构的实验制备和结构表征方面已取得重大进展。对于哑铃状硅烯，L. Thomas等人于2021年发表的一项研究[12]结合扫描隧道显微镜（STM）、密度泛函理论（DFT）计算和掠入射X射线衍射（GIXD）表征了Ag(110)基底上的长程有序结构。这证实了其形成机制和结构稳定性。随后，许多理论研究考察了其物理性质。例如，E. Scalise等人于2017年预测非金属基底（如SnS2）上的哑铃状硅烯可在500 K保留其原子构型，凸显了实际集成的潜力[13]。此外，Peng等人于2016年通过第一性原理计算报告了仅2.860 W/mK的晶格热导率[14]，远低于低翘曲硅烯，暗示了热电转换设备的可能性。此外，D. D. de Vargas等人的研究评估了其作为锂离子电池阳极材料的性能，报告了1002 mAh/g的高可逆容量、低开路电压和快速离子扩散动力学[15]。这些特性使哑铃状硅烯优于传统石墨阳极，在能量存储应用中极具前景。
作为二维材料的衍生结构，一维纳米带通过量子限域效应和边缘态提供了对电子性质的额外控制[16]。具体来说，哑铃状硅烯纳米带的电子结构和拓扑特征强烈依赖于带宽和边缘构型等几何参数[17]。例如，锯齿边缘可以产生磁性，改变宽度可以调节带结构[18], [19]。此外，它们的高塞贝克系数和极低晶格热导率使DB-SiNRs在高效热电转换应用中特别有前景[20]。
目前，二维哑铃状硅烯及其功能系统的研究已奠定坚实基础[21]。在受控尺寸变量下系统地探索一维DB-SiNRs正在成为低维硅基材料领域的创新方向。本研究侧重于横向宽度和堆叠层的协同调节，分析这些因素如何影响DB-SiNRs的几何构型和电子行为。
这些工作不仅加深了对低维材料结构-性能关系的根本理解，还为优化高性能功能器件提供了实用的设计指南[22], [23]。这项工作为自旋逻辑器件的低功耗集成奠定了材料基础[24], [25]，并为量子计算中的稳健信息传输通道提供了候选系统[26], [27], [28]。同时，它结合了二维哑铃状硅烯的实验制备技术[12]和一维DB-SiNRs的优异特性，如可调带隙[29]和高电子迁移率[30]。这些进展进一步拓宽了低维硅基材料的合成范围和应用前景。
本研究采用自洽电荷密度泛函紧束缚（SCC-DFTB）方法探索DB-SiNRs的几何和电子性质，阐明尺寸效应的调节机制。结果为硅基纳电子、传感、热电和自旋逻辑器件的设计提供理论指导，并为克服传统硅电子瓶颈提供新策略。
章节摘要
计算细节
本征哑铃状硅烯纳米带被选为本工作的原始结构。我们使用统一的命名规则来描述结构：'nLmyzL'。这里，nL代表沿横向宽度（x方向）的原子层数，my对应沿纵向长度（y方向）的原子层数，zL代表z方向上的垂直堆叠层数。对于本研究，纳米带在...有4-15个哑铃状硅烯原子层。
结果与讨论
如图2所示，典型的n10m8z2-DB-SiNRs结构构型被选为基准模型。定义了四个关键测量位置：A位点，中间连接区域的Si-Si键（哑铃把手，层间原子），由红色箭头指示；B位点，密集端区域的Si-Si键（哑铃头），由蓝色圆圈标记；C位点，中间区域的键角，由红色圆圈表示；D位点，层间Si-Si键（仅存在于z2...
结论
在本工作中，采用SCC-DFTB方法系统地探索了横向宽度和堆叠层如何调节DB-SiNRs的本征几何结构和电子性质。系统地分析了键结构参数、配位数分布、结合能、带隙、电荷分布、VIE和EA维度。
在几何结构水平上，宽度和堆叠层的协同效应显著调制了...的键合环境。
CRediT作者贡献声明
Shuting Zhang：撰写-初稿，数据整理。Hailu Xu：撰写-初稿，数据整理。Faming Du：撰写-审阅与编辑，撰写-初稿，方法学，调查研究，形式化分析，概念化。Lijun Wu：撰写-审阅与编辑，验证，监督，软件，调查研究，资金获取，形式化分析。Xinyue Yao：撰写-初稿，数据整理。Xue Bai：撰写-初稿，数据整理。Fengao Li：撰写-原始...
数据可用性
本研究中呈现的数据是原始可靠的，源自作者自己的模拟、计算和分析。本工作未使用任何伪造或欺诈数据。所有合著者都已验证并批准研究结果的真实性。
利益冲突声明
提交本手稿不存在利益冲突，手稿已获所有作者批准发表。我谨代表我的合著者声明，所描述的工作是原始研究，此前未发表，也未被其他地方考虑发表，无论是全部或部分。所有列出的作者都已批准所附的手稿。
资助声明
该研究由中国国家自然科学基金（项目编号：12274304）、中国国家自然科学基金（项目编号：12504328）、辽宁省教育厅基础研究项目（LJ212410144057）、辽宁省博士启动基金（编号2025-BS-0348）以及沈阳理工大学2023年引进高层次人才研究支持基金（编号1010147001207）资助。
竞争利益声明
? 作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系，这些利益或关系可能被认为会影响本文所述的工作。
Faming Du|Lijun Wu|Shuting Zhang|Hailu Xu|Xue Bai|Fengao Li|Xinyue Yao
