[论文解读] Optical and electronic properties of two dimensional graphitic silicon carbide

Xiao Lin, Yang Xu+5 more|arXiv (Cornell University)|May 24, 2012

Graphene research and applications参考文献 1被引用 4

一句话总结

本研究利用密度泛函理论（DFT）研究了少层石墨烯型碳化硅（GSiC）的光学与电子性质，结果表明，单层GSiC具有可通过面内应变调控的直接带隙，而少层GSiC则表现出间接带隙。研究结果表明，由于其独特的光电特性，单层GSiC在新型发光二极管（LED）应用中具有广阔前景，其特性与石墨烯和硅烯明显不同。

ABSTRACT

Optical and electronic properties of two dimensional few layers graphitic silicon carbide (GSiC), in particular monolayer and bilayer, are investigated by density functional theory and found different from that of graphene and silicene. Monolayer GSiC has direct bandgap while few layers exhibit indirect bandgap. The bandgap of monolayer GSiC can be tuned by an in-plane strain. Properties of bilayer GSiC are extremely sensitive to the interlayer distance. These predictions promise that monolayer GSiC could be a remarkable candidate for novel type of light-emitting diodes utilizing its unique optical properties distinct from graphene, silicene and few layers GSiC.

研究动机与目标

• 探索二维少层石墨烯型碳化硅（GSiC）的电子与光学性质，特别是单层和双层结构。
• 将这些性质与石墨烯和硅烯的性质进行比较，识别GSiC中的独特特性。
• 研究通过面内应变调控单层GSiC带隙的潜力。
• 研究双层GSiC电子结构对层间距离变化的敏感性。
• 基于其独特的光学响应，评估单层GSiC作为新型发光二极管（LED）材料的潜力。

提出的方法

• 采用密度泛函理论（DFT）计算单层和少层GSiC的电子能带结构及光学响应函数。
• 进行结构优化，以确定平衡晶格参数和层间距离。
• 在单层GSiC体系中施加面内应变，评估其对带隙能量的影响。
• 改变双层GSiC的层间距，分析其对电子带隙和能带特征的影响。
• 计算光学介电函数和吸收光谱，以评估其发光潜力。
• 将结果与石墨烯和硅烯的结果进行比较，突出其在电子与光学行为上的差异。

实验结果

研究问题

• RQ1 单层石墨烯型碳化硅具有直接带隙还是间接带隙？其与石墨烯和硅烯相比有何不同？
• RQ2 通过施加面内应变，单层GSiC的带隙可被调节到何种程度？
• RQ3 双层GSiC的电子性质对层间距离变化的敏感程度如何？
• RQ4 单层和少层GSiC的光学吸收特性是什么？与石墨烯的特性有何差异？
• RQ5 基于其独特的光电响应，单层GSiC能否作为新型发光器件的可行候选材料？

主要发现

• 单层GSiC具有直接带隙，这使其与石墨烯的零带隙半金属行为以及硅烯的间接带隙明显不同。
• 通过施加面内拉伸应变，可有效调节单层GSiC的带隙，表明其在应变工程光电设备中具有应用潜力。
• 少层GSiC（双层及以上）表现出间接带隙，与单层形式的直接带隙形成对比。
• 双层GSiC的电子结构对层间距离高度敏感，层间距变化可引起带隙和能带色散的显著变化。
• 单层GSiC的光学吸收光谱在可见光至近红外波段表现出强且可调的吸收，支持其在发光应用中的潜力。
• 直接带隙与强光学响应的结合，使单层GSiC成为光电与光子器件中石墨烯的有前途的替代材料。