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采用混合密度泛函理论探究了B、Al、Ga、In、Tl在2D单层SiC中的缺陷浓度与电子磁性质，发现B在C位最稳定，Tl最不稳定，低温下B在C位浓度高，高温时Ga在Si位浓度显著。C位掺杂引入mid-gap态和磁性，Si位掺杂则保持非磁性。该研究为高温电子器件开发提供了理论依据。
埃马纽埃尔·伊贡博尔（Emmanuel Igumbor）| 帕蒂恩斯·阿杰（Patience Ajeh）| 埃德温·马帕沙（Edwin Mapasha）| 以西结·奥莫托索（Ezekiel Omotoso）| 阿卜杜勒拉菲乌·拉吉（Abdulrafiu Raji）
南非约翰内斯堡大学工程与建筑环境学院机械工程科学系
摘要
二维单层碳化硅（2D monolayer SiC）中的点缺陷在提升其用于高功率电子应用的性能方面发挥了重要作用。尽管已经报道了多种2D单层SiC中的点缺陷，但第三族掺杂剂（Group III dopants）的影响尚未得到充分理解。在这项研究中，我们采用混合密度泛函理论（hybrid density functional theory）来研究第三族掺杂剂（B、Al、Ga、In和Tl）在2D单层SiC中的行为。研究表明，硼（B）是能量上最有利掺杂剂，而铊（Tl）则是不利的掺杂剂。在低温下，硼掺杂剂在2D单层SiC中的浓度较高；而硅（Si）掺杂剂的浓度则可以忽略不计。镓（Ga）在250–300 K温度范围内浓度相对较低，但在高温下具有重要的技术意义。第三族掺杂剂取代碳（C）位点通常会引入能隙中间态，其费米能级位于能隙中间；而取代硅（Si）位点时则不会引入此类态，反而会导致p型导电行为。此外，C位点掺杂常会引入局部磁矩并破坏自旋向上和自旋向下态之间的对称性，而Si位点掺杂则产生对称的非磁性行为。本研究为第三族掺杂剂在2D单层SiC中的应用提供了理论依据，有助于修改其电子和磁性质，以适应高温和恶劣环境下的纳米和微电子设备。
引言
块状碳化硅（bulk SiC）是一种具有多种已知多型结构的半导体[1]。其中，2C、3C、4H和6H多型结构因具有较宽的能隙而受到广泛研究[1]、[2]、[3]、[4]。与其它结构材料相比，SiC具有低密度和低热膨胀系数、高导热性和机械强度、高弹性模量以及抗蠕变变形能力，并具有优异的化学稳定性[1]、[8]。虽然SiC长期以来以块状形式存在，但最近也实现了层状合成[9]、[10]。
自石墨烯（graphene）这种具有卓越电子和机械性能的无能隙层状材料被发现以来，人们对其他二维（2D）材料（如MoS2、WS2、TiS3和WTe2等）的兴趣日益增加[11]、[12]、[13]、[14]、[15]。这些层状材料大多具有六角蜂窝晶体结构[16]、[17]、[18]、[19]、[20]、[21]、[22]、[23]、[24]。与块状SiC类似，2D SiC的能隙宽度为2.54–3.26 eV[10]、[25]、[26]、[27]，使其成为高温和恶劣环境下电子器件和光电子器件的理想候选材料[27]。自2D单层SiC合成以来，已进行了大量关于其力学性质的研究，证实了其结构稳定性[28]。
点缺陷的研究因能够改变半导体的固有性质从而提升其性能而受到越来越多的关注[6]、[7]、[29]、[30]。在块状SiC中已报道了多种类型的点缺陷[2]、[6]、[7]、[31]、[32]、[33]、[34]。研究这些含有缺陷的半导体可以带来重要的见解。例如，点缺陷可用于调节能隙、增强导电性并控制电子-空穴相互作用[2]、[34]、[35]。然而，在半导体中引入点缺陷时需谨慎，因为它们可能导致深能级缺陷并产生能隙中间态，从而形成复合中心[2]、[31]、[34]。因此，理解点缺陷对半导体的影响至关重要。
第三族掺杂剂是常用的点缺陷，用于在半导体中实现p型导电性[36]、[37]。硼（B）、铝（Al）、镓（Ga）和铟（In）等元素因其可作为电子受体而被广泛用于掺杂半导体（如硅（Si）[38]、锗（Ge）[39]、[40]、碳化硅（SiC）[41]、[42]、氮化镓（GaN）[43]）。已有大量关于块状SiC中点缺陷的研究[1]、[3]、[4]、[6]、[7]、[31]、[32]。研究表明，硼在Si和C位点掺杂时具有能量优势，但其稳定性很大程度上取决于生长条件和温度[41]。SiC可通过掺杂实现n型和p型导电性[41]。例如，用n型和p型材料掺杂3C-、2H-、4H-和6H-SiC可改变导带和价带中的能级[44]。龚等人发现，用第三族元素掺杂SiC可通过改善载流子散射机制来提升其光电性能[45]。此外，碳化硅纳米管（SiCNTs）掺杂第三族元素后，其导电性会随温度升高而降低[45]。分析表明，Al、In和Ga在SiC中的掺杂偏好占据Si位点，具有更高的能量稳定性[46]。掺杂B、Al、Ga和In的SiCNTs在250–620 nm波长范围内，C位点上的掺杂峰宽且强度低，而Si位点上的掺杂峰尖锐且强度高[36]。这些发现表明，这些掺杂可显著提升SiCNTs在光检测和光敏半导体器件中的应用潜力[36]。研究表明，B、Al、Ga和In的掺杂可改善Ge、Si和SiC等半导体的电子性质[47]、[48]、[49]，但若控制不当，可能会对半导体性能产生负面影响。对于2D单层SiC而言，这些掺杂对其结构、电子和磁性质的影响仍需进一步探索，且其在低温和高温下的浓度也尚未明确。
在本研究中，我们利用混合密度泛函理论计算了第三族掺杂剂（B、Al、In和Ga）在2D单层SiC中的电子、磁性和电荷转移性质，并研究了其在不同温度下的浓度变化。第三族掺杂剂的引入改变了2D单层SiC的晶体结构。B、Al、In和Ga掺杂剂在2D单层SiC中的形成能较低。尽管Al原子无论在何种替代位点都始终作为施主，但这些掺杂剂倾向于从邻近原子获取电子。当取代C位点时，它们会在2D单层SiC晶格中引入磁矩。本研究的结果具有重要意义，为掺杂2D单层SiC在高温高功率电子器件中的应用提供了理论支持。
计算细节
使用维也纳从头算模拟包（VASP）对2D单层SiC中第三族掺杂剂的结构、电子和磁性质进行了DFT模拟。采用投影增强波方法（projector augmented-wave method）伪势有效分离了化学活性价电子和核心电子[50]。交换-相关作用采用广义梯度近似（GGA）下的Perdew–Burke–Ernzerhof泛函[51]。
2D单层SiC中第三族掺杂剂的结构性质
表1列出了杂质原子与其最近邻宿主原子之间的键长。图1展示了原始2D单层SiC和Al-C键的松弛几何结构。原始Si-C键长为1.79 ?，与先前的研究结果一致[55]、[56]。
从B到Tl，键长逐渐增加（见表1）。B在Si位点形成的键长最短（1.64 ?），表明键合强度较强。相比之下，Tl和In在C或Si位点上的键合较弱。
总结
本研究利用混合密度泛函理论研究了B、Al、Ga、In和Tl掺杂对2D单层SiC的影响，预测了这些掺杂剂的结构、电子、磁性质及缺陷浓度。第三族掺杂剂改变了2D单层SiC的原始有序晶体结构，导致平面层中的原子产生不同程度的应变。B是能量上最有利于掺杂的元素。
CRediT作者贡献声明
埃马纽埃尔·伊贡博尔（Emmanuel Igumbor）：负责写作、审稿与编辑、初稿撰写、可视化、验证、监督、软件使用、资源管理、方法论设计、实验设计、资金获取、数据分析、概念化。
帕蒂恩斯·阿杰（Patience Ajeh）：负责写作、审稿与编辑、初稿撰写、软件使用、方法论设计、实验设计、数据分析。
埃德温·马帕沙（Edwin Mapasha）：负责软件使用、资源管理、实验设计、资金获取、数据分析。利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
埃马纽埃尔·伊贡博尔衷心感谢南非约翰内斯堡大学的资金支持。帕蒂恩斯·阿杰感谢阿布贾非洲科技大学（African University of Science and Technology）的支持。埃德温·马帕沙感谢比勒陀利亚大学（University of Pretoria）提供的计算资源。作者们还感谢南非开普敦高性能计算中心（CHPC）提供的计算支持。
