[论文解读] A DFT Study of the Electronic, Optical, and Mechanical Properties of a Recently Synthesized Monolayer Fullerene Network

Raphael M. Tromer, Luiz Antônio Ribeiro+1 more|arXiv (Cornell University)|Jul 4, 2022

Fullerene Chemistry and Applications参考文献 35被引用 70

一句话总结

本研究采用密度泛函理论（DFT）研究了近期合成的单层准六方C60网络（qHPC60）的电子、光学和力学性质。结果表明，其带隙为0.9 eV，经剪切修正后与实验测得的1.6 eV光学带隙高度一致；具有50–62 GPa范围内的各向异性力学性能；在紫外区具有强吸收特性，且反射率低、折射率>1，表明其在1.5–5.5 eV波段具有作为紫外收集器和光电器件材料的潜力。

ABSTRACT

Closely packed quasi-hexagonal and quasi-tetragonal crystalline phase of C$_{60}$ molecules (named qHPC$_{60}$) was recently synthesized. Here, we used DFT simulations to investigate the electronic, optical, and mechanical properties of qHPC$_{60}$ monolayers. qHPC$_{60}$ has a moderate direct electronic bandgap, with anisotropic mechanical properties. Their elastic modulus ranges between 50 and 62 GPa. The results for optical properties suggest that qHPC$_{60}$ can act as UV collectors for photon energies until 5.5 eV since they present low reflectivity and refractive index greater than one. The estimated optical bandgap (1.5-1.6 eV) is in very good agreement with the experimental one (1.6 eV).

研究动机与目标

• 采用DFT研究近期合成的单层准六方C60网络（qHPC60）的电子、光学和力学性质。
• 解决尽管qHPC60已实现实验合成，但其物理性质仍缺乏详细理论分析的问题。
• 通过DFT模拟结合剪切算子修正，验证实验测得的1.6 eV带隙值。
• 探索qHPC60作为光电器件用半导体的潜力，特别是在紫外与可见光捕获方面的应用。
• 分析qHPC60晶格独特拓扑结构所导致的各向异性力学与电子行为。

提出的方法

• 使用SIESTA代码进行DFT计算，采用PBE-GGA泛函和规范守恒的Troullier-Martins赝势。
• 在交换-关联泛函中引入范德华校正，以考虑弱分子间相互作用。
• 采用双ζ加极化（DZP）基组，并设置250 Ry的动能截断能以确保数值收敛。
• 沿Γ–X–U–Y–Γ路径计算电子能带结构，并分析轨道贡献的投影态密度（PDOS）。
• 应用0.6 eV的剪切算子对DFT带隙进行修正，以提高与实验光学跃迁的一致性。
• 基于复介电函数，利用费米黄金规则和Kramers-Kronig关系计算光学系数（吸收率、折射率、反射率）。

实验结果

研究问题

• RQ1 qHPC60单层的电子能带结构和带隙是多少？其与实验测得的1.6 eV值相比如何？
• RQ2 qHPC60的力学性能，特别是其弹性模量和各向异性，如何随晶向和应变变化？
• RQ3 qHPC60在紫外-可见光谱范围内的光学吸收特性如何？能否作为高效的紫外光收集器？
• RQ4 前线分子轨道（HOMO和LUMO）如何影响qHPC60中电子的离域化与迁移率？
• RQ5 光学性质（折射率、反射率）在多大程度上随光偏振方向表现出各向异性？

主要发现

• qHPC60单层表现出0.9 eV的直接带隙，经0.6 eV剪切修正后，与实验测得的1.6 eV光学带隙高度一致。
• 计算得到的形成能为-9.14 eV/atom，表明其热力学稳定性良好，与其它二维碳同素异形体相当。
• 弹性模量范围为50至62 GPa，表现出明显的面内各向异性，沿y方向具有更高的机械韧性。
• 光学吸收在约1.5–1.6 eV处开始，与实验起始波长一致，且在可见光区约2.2 eV处出现第一个吸收峰，源于HOMO–LUMO跃迁。
• 在紫外-可见波段，材料表现出低反射率（在3.3–3.5 eV处最高达~30%）和折射率>1，表明其具有优异的紫外光收集潜力。
• HOMO和LUMO前线轨道在C–C键之间离域，表明电子具有高迁移率和有利的输运特性。