[论文解读] Optical Properties of Graphene-like Two Dimensional Silicene

C. Kamal, Aparna Chakrabarti+2 more|arXiv (Cornell University)|May 23, 2012

Graphene research and applications被引用 11

一句话总结

本研究采用密度泛函理论（DFT）研究了二维硅烯的光学性质，揭示了强烈的偏振依赖性吸收，其具有两个主要吸收峰：一个在1.74 eV处的尖锐峰，源于π→π*跃迁；另一个宽峰则来自σ→σ*激发。主要发现表明，外加横向电场可打开可调带隙，从而改变光学吸收；而氢化则通过将sp²+sp³杂化转变为纯sp³杂化，使硅烯从半金属转变为半导体，消除π态并抑制1.74 eV处的吸收峰。

ABSTRACT

We study optical properties of two dimensional silicene using density functional theory based calculations. Our results on optical response property calculations show that they strongly depend on direction of polarization of light, hence the optical absorption spectra are different for light polarized parallel and perpendicular to plane of silicence. The optical absorption spectra of silicene possess two major peaks: (i) a sharp peak at 1.74 eV due to transition from pi to pi* states and (ii) a broad peak in range of 4-10 eV due to excitation of sigma states to conduction bands. We also investigate the effect of external influences such as (a) transverse static electric field and (b) doping of hydrogen atoms (hydrogenation) on optical properties of silicene. Firstly, with electric field, it is observed that band gap can be opened up in silicene at Fermi level by breaking the inversion symmetry. We see appreciable changes in optical absorption due to band gap opening. Secondly, hydrogenation in silicene strongly modifies the hybridization and our geometry analysis indicates that the hybridization in silicene goes from mixture of sp^2 + sp^3 to purely sp^3. Therefore, there is no pi electron present in the system. Consequently, the electronic structure and optical absorption spectra of silicene get modified and it undergoes a transition from semi-metal to semiconductor due to hydrogenation.

研究动机与目标

• 采用从头算DFT计算研究硅烯的光学响应特性。
• 理解外部扰动（特别是横向电场和氢化）对硅烯电子结构和光学行为的影响。
• 通过分析介电函数和吸收光谱，探索硅烯作为可调谐光电器件材料的潜力。
• 阐明π和σ电子态在决定硅烯光学跃迁中的作用。
• 通过输运和光学测量的实验验证提供理论依据。

提出的方法

• 采用SIESTA程序包进行完全自洽的DFT计算，使用规范守恒的Troullier-Martins赝势。
• 采用广义梯度近似（GGA）中的Perdew-Burke-Ernzerhof（PBE）交换-关联泛函。
• 采用三重ζ基组并附加极化函数，电荷密度积分截断能为400 Ry。
• 几何优化采用45×45×1的k点采样，光学性质计算采用250×250×1的k点采样。
• 利用Kohn-Sham本征值和本征态计算介电函数和光学吸收光谱。
• 模拟了横向静态电场（0.25–1.0 V/Å）和氢化对电子结构和光学响应的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 入射光的偏振方向如何影响硅烯的光学吸收光谱？
• RQ2 硅烯光学吸收峰的主要电子跃迁机制是什么？
• RQ3 施加横向静态电场如何改变硅烯的能带结构和光学响应？
• RQ4 氢化后硅烯的电子和光学性质发生何种变化？
• RQ5 外部电场和化学掺杂在多大程度上改变了硅烯费米能级附近的π和σ态？

主要发现

• 硅烯的光学吸收光谱表现出强烈的各向异性，光平行与垂直于平面时的光谱明显不同。
• 在1.74 eV处出现一个尖锐吸收峰，源于费米能级附近的π→π*跃迁，其能量与态密度差值一致。
• 在4–10 eV范围内的宽吸收峰源于σ→σ*跃迁，归因于σ和σ*能带的较大能带宽度。
• 施加横向静态电场通过破坏反演对称性，在费米能级打开带隙，且带隙随电场强度增加而增大。
• 氢化使硅烯中的杂化方式从sp²+sp³转变为纯sp³，消除π态，导致从半金属向半导体行为的转变。
• 氢化后1.74 eV处的吸收峰消失，因π能带缺失，而σ→σ*峰基本保持不变，证实主要影响集中于π相关态。