金属表面上的单层磷化硼：潜在基底的筛选

《physica status solidi (b)–– basic solid state physics》：Single-Layer Boron Phosphide on Metallic Surfaces: Screening of Promising Substrates

单层六方硼磷（hBP）在面心立方过渡金属（IX-XI族）的(111)表面的结构、电子性质及吸附能量通过密度泛函理论计算系统研究。发现Ag(111)因最小吸附能（0.38 eV/BP）、层间位移（2.48 ?）和电荷转移（ΔQ=0.38 eV），且表面形变（0.22 ?）显著小于Au，成为hBP生长最佳基底。计算还表明，层间Moiré图案、晶格失配和表面重构对电子相互作用有显著影响。

　　单层六方晶系硼磷化物（hBP）是一种被预测为具有蜂窝结构的半导体材料，因其在光电转换、光催化等领域的潜在应用而受到广泛关注。hBP作为二维材料的一种，展现出了与传统半导体材料不同的物理特性，尤其在电子结构和能带特性方面。然而，hBP的合成仍然面临诸多挑战，尚未有成功的实验结果。因此，寻找一种合适的衬底材料对于hBP的生长至关重要，因为衬底不仅需要具有适当的晶格对称性以促进hBP的形成，还应与hBP的相互作用较弱，从而避免对hBP的电子性能造成显著影响，并便于其剥离和转移。

在本研究中，科学家们采用基于密度泛函理论（DFT）的从头算方法，对来自第九至第十一族的面心立方（FCC）过渡金属（包括Co、Ni、Cu、Rh、Pd、Ag、Ir、Pt、Au等）作为衬底时的hBP结构和电子性能进行了系统性研究。这些金属在（111）面上具有与hBP相同的六方对称性，因此成为理想的候选材料。然而，由于hBP的晶格参数与这些金属存在一定的不匹配，导致在界面处形成莫尔条纹（Moiré patterns），这些条纹的出现是由于晶格失配和可能的错位引起的。为了准确描述这些结构，研究者考虑了不同衬底与hBP之间的最小共通超胞，即在允许一定范围内的拉伸或压缩应变的情况下，找到能够同时容纳衬底和hBP晶格的最小单元。

研究发现，Ag（银）作为衬底在hBP的生长中表现出最优的性能。尽管Au（金）和Ag在晶格参数上与hBP的匹配程度较高，但Ag的结合能、平均距离以及电荷转移特性更接近Au，同时其界面处的弯曲程度远小于Au。这表明，Ag能够为hBP提供一个较为稳定且弱相互作用的生长环境，有助于保持其电子性能的完整性。此外，研究还发现，hBP与Ag之间的结合能和电荷转移特性在不同错位角度下保持稳定，进一步证明了Ag作为衬底的鲁棒性。

为了进一步验证Ag作为衬底的可行性，研究者还分析了hBP在Ag（111）表面的不同错位角度（11°和23°）下的结构行为。在这些情况下，研究发现，虽然错位角度会影响界面处的原子排列，但对hBP与Ag之间的相互作用强度影响不大。相比之下，其他金属如Pd（钯）和Pt（铂）在错位角度变化时，其结合能和界面弯曲程度均出现显著变化，这表明它们在不同错位条件下的表现不如Ag稳定。这些结果进一步支持了Ag作为hBP生长的最佳衬底的结论。

研究还探讨了hBP在不同金属表面的电子结构特性。通过分析电荷转移情况，发现Ag与hBP之间的电子相互作用最弱，电荷转移量接近于零，而其他金属则表现出不同程度的电子交换。这表明Ag能够最小化对hBP电子结构的干扰，从而为hBP的生长提供一个更接近其本征状态的环境。同时，研究指出，尽管其他金属在某些情况下表现出相似的电子行为，但它们的界面弯曲程度更高，这可能会影响hBP的稳定性，甚至改变其电子特性。

在实际应用中，选择合适的衬底对于hBP的合成和性能调控具有重要意义。理想的衬底应具备以下特点：与hBP的晶格匹配度较高，以减少界面处的应变；与hBP之间的相互作用较弱，以避免对其电子结构造成干扰；同时能够支持hBP的稳定生长，使其能够被有效剥离和转移。基于上述研究结果，Ag满足了这些条件，成为当前研究中最受关注的衬底材料之一。

此外，研究还讨论了hBP在不同金属表面的结构特性，包括平均距离、界面弯曲以及结合能等参数。这些参数不仅反映了hBP与金属之间的相互作用强度，还可能影响其在实际应用中的性能表现。例如，界面弯曲程度的增加可能会导致hBP结构的不稳定性，从而影响其电子性能和机械性能。因此，在选择衬底时，除了考虑晶格匹配度外，还需要综合评估这些结构参数。

从实验和计算的角度来看，研究采用了一系列计算方法，包括基于平面波的DFT计算、超胞建模以及电子结构分析。这些方法能够有效模拟hBP在不同金属表面的生长行为，并提供关于其结构和电子性能的详细信息。研究中还特别强调了超胞建模的重要性，因为hBP与金属之间的晶格不匹配会导致界面处出现较大的应变，而超胞建模可以有效地缓解这种应变，从而更准确地描述界面结构。

在研究过程中，科学家们还探讨了hBP在不同金属表面的电荷分布情况。通过计算电荷转移量，他们发现Ag与hBP之间的电荷交换最小，这进一步支持了Ag作为理想衬底的结论。而其他金属则表现出不同程度的电荷交换，其中某些金属（如Co和Ni）的电荷交换量较大，可能会影响hBP的电子特性。相比之下，Au虽然具有与hBP相似的晶格参数，但由于其较高的界面弯曲程度，可能不如Ag稳定。

研究还指出，hBP在金属表面的生长过程可能受到多种因素的影响，包括晶格匹配度、界面应变、电荷转移以及原子排列方式等。为了更全面地理解这些因素对hBP性能的影响，科学家们采用了一种系统性的方法，对多个金属衬底进行了比较分析，并通过计算不同参数来评估它们的适用性。这一方法不仅有助于筛选出最佳衬底，还能够为后续的实验合成提供理论指导。

在总结部分，研究强调了Ag作为hBP衬底的优越性。尽管其他金属如Au和Pt在某些方面表现出相似的性能，但Ag在结合能、电荷转移和界面弯曲等方面均优于它们。此外，研究还发现，hBP与Ag之间的相互作用具有良好的稳定性，无论是在无错位还是有错位的情况下，其结合能和电荷转移特性均保持一致。这一发现表明，Ag能够为hBP的生长提供一个高度稳定的环境，从而有助于其在实际应用中的性能表现。

总的来说，这项研究通过系统性的计算模拟，揭示了hBP在不同金属衬底上的生长行为和性能差异。Ag被证明是最适合hBP生长的衬底材料，其较低的结合能、较小的电荷转移量以及较弱的界面弯曲特性，使其成为研究和应用中的首选材料。未来的研究可以进一步探索Ag在hBP合成中的具体作用机制，以及其在不同实验条件下的表现，从而为hBP的合成和应用提供更深入的理论支持。