通过氢化改性非晶硼的调谐性能：一项从头算研究

《Journal of Non-Crystalline Solids》：Tuning properties of amorphous boron via hydrogenation: An ab initio study

　　氢化非晶硼的物理性质研究：通过第一性原理计算发现，氢浓度增加（6-21at%）导致密度降低（2.23→1.97g/cm3），电子带隙增大，结构中桥式B-H-B占比10-16%。研究揭示了氢掺杂对非晶材料结构、力学性能和半导体特性的调控机制。

　　

Murat Durandurdu

材料科学与纳米技术工程系，阿卜杜拉·古尔大学，凯塞里，土耳其

摘要

采用第一性原理模拟方法研究了不同氢浓度（约6–21原子百分比）下氢化非晶硼（a-B:H）的结构、机械和电子性质。结果表明，五边形状的硼簇是主要的结构单元。其键合环境包括B–H端键和B–H–B桥键，桥键的比例在10%到16%之间。随着氢含量的增加，密度和体积模量降低，同时电子带隙系统性扩大。这些结果表明，氢的引入显著改变了原子结构，使材料网络变软，并增强了a-B:H的半导体特性，凸显了基于硼的非晶材料性质的可调性。

引言

硼（B）是周期表中最有趣的元素之一，由于其能够形成复杂的同素异形体而展现出广泛的物理性质。这些独特的同素异形体，加上硼的高中子吸收能力、极高的硬度、高热阻以及对杂质的敏感性，使其成为具有重大科学和技术价值的材料。尽管已经进行了长期的研究，硼仍然是一个神秘而引人入胜的元素[1,2]，特别是在其卓越的机械和物理性质方面，它具有巨大的技术应用潜力[3,4]。

一种特别有趣的硼的形式是氢化非晶硼（a-B:H）[[5], [6], [7], [8], [9], [10], [11], [12], [13], [14], [15], [16], [17], [18]]。这种材料最近因其潜在的应用而受到关注，例如用于硬质涂层、光伏器件的半导体以及核聚变反应堆中的保护涂层[[12], [13], [14], [15], [16], [17], [18]]。已知氢（H）的存在显著改变了硼的结构、机械和电子性质。然而，对于氢的引入如何影响这些性质，尤其是在原子层面上，目前仍缺乏深入的理解。尽管之前的研究提供了一些见解，但由于非晶材料的复杂性，用传统模型很难预测这些变化。

本研究旨在通过使用第一性原理模拟来系统地研究氢对非晶硼（a-B）的结构、机械性质和电子行为的影响，从而填补这一知识空白。我们探讨了不同的氢浓度范围，以了解这些原子尺度的变化如何影响宏观材料性质。通过这样做，我们希望提供全面的数据，以指导未来旨在优化a-B:H在各种应用中性能的实验和理论研究。

计算方法

计算方法

为了模拟a-B:H的原子结构，我们使用了基于密度泛函理论（DFT）的SIESTA第一性原理代码[19]。对于赝势，我们采用了Troullier-Martins方案[20]和保范数的非局域赝势。交换相关能量通过广义梯度近似（GGA）来估算，该方法在处理此类复杂系统时具有很高的准确性。具体来说，使用了Becke梯度校正的交换泛函[21]等。

结果

氢引入最显著的影响之一是密度的降低。图1显示了所有模型中氢浓度与密度之间的相关性。a-B的密度计算值为2.23 g/cm3，与实验预测值（2.3至2.39 g/cm3）相符[[27], [28], [29]]。当加入6.0%的氢时，密度降至1.97 g/cm3，与含有约9.0%氢的样品的实验值（约2.0 ± 0.1 g/cm3）非常接近[30]

讨论

本研究的结果强调了氢化对a-B:H的结构、机械和电子性质的深远影响。模拟显示，氢的引入不仅改变了密度和体积模量，还改变了材料的电子行为。观察到的密度降低表明，氢起到了结构稀释剂的作用，促进了硼网络中更开放框架和更大空洞的形成。

这种结构变化

结论

这项第一性原理研究全面揭示了氢化如何影响a-B:H的结构、机械和电子特性。结果表明，随着氢含量的增加，密度和机械刚性显著降低，而电子带隙系统性增加。这些趋势共同表明

关于写作过程中生成式AI和AI辅助技术的声明

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数据可用性

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CRediT作者贡献声明

Murat Durandurdu：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原始草稿，可视化，验证，方法论，研究，形式分析，概念化。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所报告工作的财务利益或个人关系。

致谢

作者感谢阿卜杜拉·古尔大学支持基金会的支持。作者还感谢TüB?TAK ULAKB?M高性能和网格计算中心（TRUBA资源）提供的计算资源和时间。