新型二维SiO<sub>2</sub>结构及面内应变对其光电性质影响的第一性原理研究

刘雪婷; 刘禹成; 赵子昂; 王丹丹; 张勇; 冯明

doi:10.37188/CJL.20230072

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新型二维SiO₂结构及面内应变对其光电性质影响的第一性原理研究

理论计算及光谱分析 | 更新时间：2026-09-12

- 新型二维SiO₂结构及面内应变对其光电性质影响的第一性原理研究
  增强出版
- A Novel Two-dimensional SiO₂ Structure and Influence of In-plane Strain on Its Photoelectric Properties: First-principles Study
- 发光学报 2023年44卷第8期页码：1496-1504
- 作者机构：
  
  1.吉林师范大学物理学院，吉林四平　136000
  2.吉林师范大学功能材料物理与化学教育部重点实验室，吉林长春　130022
- 作者简介：
  
  刘雪婷（1997-），女，吉林白城人，硕士，2023年于吉林师范大学获得硕士学位，主要从事新型二维光电功能材料的结构设计和性能研究。E-mail: lxt1071327379@163.com
  王丹丹（1987-），女，河南商丘人，博士，副教授，2015年于中国科学院长春光学精密机械与物理研究所获得博士学位，主要从事新型无机功能材料的结构合计和光电性能理论研究。 E-mail： mila880227@126.com
  张勇（1982-），男，吉林四平人，博士研究生，教授，2010年于吉林师范大学获得硕士学位，主要从事闪烁玻璃及闪烁光纤面板的研究。 E-mail： zhangyong@jlnu.edu.cn
  冯明（1981-），男，吉林辽源人，博士，教授，2011年于哈尔滨工业大学获得博士学位，主要从事外物理场耦合光电催化反应设计和高比能二次电池关键材料开发与应用。 E-mail： mingfeng@jlnu.edu.cn
- 基金信息：
  
  吉林省自然科学基金(YDZJ202201ZYTS307;20210101409JC)
- DOI：10.37188/CJL.20230072
  中图分类号： O482.31
- 收稿：2023-03-24，
  
  修回：2023-04-11，
  
  纸质出版：2023-08-05
- 稿件说明：
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刘雪婷,刘禹成,赵子昂等.新型二维SiO₂结构及面内应变对其光电性质影响的第一性原理研究[J].发光学报,2023,44(08):1496-1504. DOI: 10.37188/CJL.20230072.

LIU Xueting,LIU Yucheng,ZHAO Ziang,et al.A Novel Two-dimensional SiO₂ Structure and Influence of In-plane Strain on Its Photoelectric Properties: First-principles Study[J].Chinese Journal of Luminescence,2023,44(08):1496-1504. DOI: 10.37188/CJL.20230072.
刘雪婷,刘禹成,赵子昂等.新型二维SiO₂结构及面内应变对其光电性质影响的第一性原理研究[J].发光学报,2023,44(08):1496-1504. DOI: 10.37188/CJL.20230072. DOI：

LIU Xueting,LIU Yucheng,ZHAO Ziang,et al.A Novel Two-dimensional SiO₂ Structure and Influence of In-plane Strain on Its Photoelectric Properties: First-principles Study[J].Chinese Journal of Luminescence,2023,44(08):1496-1504. DOI: 10.37188/CJL.20230072. DOI：

摘要

SiO

通常以三维晶体或无定形结构存在，限制了其在新技术如新一代集成电路中的应用，因此二维SiO

的研究引起了越来越多的关注。本文通过删除三维层状CaAl

结构中的Ca和Al原子，直接构建出新的二维SiO

构型。采用基于密度泛函理论的第一性原理计算，结构优化获得的新型2D SiO

具有

P⁃

对称性，群号189。通过结合能、弹性系数、分子动力学模拟和声子谱计算，发现新型2D SiO

具有高机械稳定性、热力学稳定性和动力学稳定性。电子性质和光学性质计算发现，2D SiO

是带隙为6.08 eV绝缘体，且具有良好的光透射率和光导率。此外，通过研究面内双轴应变对2D SiO

电子和光学性质的影响，发现2D SiO

的带隙和介电函数受面内拉伸应变的影响较压缩应变略大，不过其整体光学性质受应变影响不大，保证了其在实际应用中电子性质和光学性质的稳定性。

Abstract

SiO

usually exists

in three-dimensional crystal or amorphous structure， which limits its application in new technologies such as new integrated circuits， so the research on two-dimensional SiO

has attracted more and more attention. In this paper， a new two-dimensional SiO

configuration is constructed directly by removing Ca and Al atoms from the three-dimensional layered CaAl

structure. Using the first principles calculation based on density functional theory， the structure optimization results in the new 2D SiO

with

P⁃62m

symmetry and group number 189. Through calculating binding energy， elastic coefficient， molecular dynamics simulation and phonon spectrum， it is found that the new 2D SiO

has high mechanical， thermodynamic and dynamic stability. Further calculations of electronic and optical properties show that 2D SiO

is an insulator with band gap of 6.08 eV， and has good optical transmittance and optical conductivity. In addition， by studying the effect of in-plane biaxial strain on the electronic and optical properties of 2D SiO

， it is shown that the band gap and dielectric function of 2D SiO

are slightly more affected by the in-plane tensile strain than by the compression strain， but the strain impact on the overall optical properties of 2D SiO

is modest， which ensures the stability of the electronic and optical properties in practical applications.

关键词

Keywords

references

SCHINDLE C ， WEIDES M ， KOZICKI M N ， et al . Ultra-low current resistive memory based on Cu-SiO 2 ［C］. Proceedings of 2008 IEEE Silicon Nanoelectronics Workshop ， Honolulu ， 2008 ： 1 - 2 . doi: 10.1109/snw.2008.5418475 http://dx.doi.org/10.1109/snw.2008.5418475

LIU S R ， LUO S T ， WU X D ， et al . Application of silica-alumina as hydrothermally stable supports for Pt catalysts for acid-assisted soot oxidation ［J］. Rare Met. ， 2023 ， 42 （ 5 ）： 1614 - 1623 . doi: 10.1007/s12598-022-02199-4 http://dx.doi.org/10.1007/s12598-022-02199-4

KIM S G ， SHIN H ， PARK J S ， et al . Effect of SiO 2 addition to BaO-ZnO-B 2 O 3 glass on dielectric and thermal properties for application to barrier ribs of plasma display panels ［J］. J. Electroceram. ， 2005 ， 15 （ 2 ）： 129 - 134 . doi: 10.1007/s10832-005-1397-x http://dx.doi.org/10.1007/s10832-005-1397-x

HU G J ， XIAO Y X ， YING J . Nano-SiO 2 and silane coupling agent co-decorated graphene oxides with enhanced anti-corrosion performance of epoxy composite coatings ［J］. Int. J. Mol. Sci. ， 2021 ， 22 （ 20 ）： 11087-1-12 . doi: 10.3390/ijms222011087 http://dx.doi.org/10.3390/ijms222011087

WANG H ， CHEN Z W ， DENG X Y ， et al . Template-free synthesis of macroporous SiO 2 catalyst supports for diesel soot combustion ［J］. Ind. Eng. Chem. Res. ， 2018 ， 57 （ 34 ）： 11600 - 11607 . doi: 10.1021/acs.iecr.8b02746 http://dx.doi.org/10.1021/acs.iecr.8b02746

YU X H ， ZHAO Z ， WEI Y C ， et al . Three-dimensionally ordered macroporous SiO 2 -supported transition metal oxide catalysts： facile synthesis and high catalytic activity for diesel soot combustion ［J］. RSC Adv. ， 2015 ， 5 （ 61 ）： 49780 - 49790 . doi: 10.1039/c5ra07078c http://dx.doi.org/10.1039/c5ra07078c

SCHROEDER T ， ADELT M ， RICHTER B ， et al . Epitaxial growth of SiO 2 on Mo（112）［J］. Surf. Rev. Lett. ， 2000 ， 7 （ 1-2 ）： 7 - 14 .

HEYDE M ， SHAIKHUTDINOV S ， FREUND H J ， et al . Two-dimensional silica： crystalline and vitreous ［J］. Chem. Phys. Lett. ， 2012 ， 550 ： 1 - 7 . doi: 10.1016/j.cplett.2012.08.063 http://dx.doi.org/10.1016/j.cplett.2012.08.063

NOVOSELOV K S ， GEIM A K ， MOROZOV S V ， et al . Electric field effect in atomically thin carbon films ［J］. Science ， 2004 ， 306 （ 5696 ）： 666 - 669 . doi: 10.1126/science.1102896 http://dx.doi.org/10.1126/science.1102896

LIU L ， PARK J ， SIEGEL D A ， et al . Heteroepitaxial growth of two-dimensional hexagonal boron nitride templated by graphene edges ［J］. Science ， 2014 ， 343 （ 6167 ）： 163 - 167 . doi: 10.1126/science.1246137 http://dx.doi.org/10.1126/science.1246137

ROBERTSON J ， LIU X ， YUE C L ， et al . Wafer-scale synthesis of monolayer and few-layer MoS 2 via thermal vapor sulfurization ［J］. 2D Mater. ， 2017 ， 4 （ 4 ）： 045007-1-21 . doi: 10.1088/2053-1583/aa8678 http://dx.doi.org/10.1088/2053-1583/aa8678

LEE K ， KIM S W ， TODA Y ， et al . Dicalcium nitride as a two-dimensional electride with an anionic electron layer ［J］. Nature ， 2013 ， 494 （ 7437 ）： 336 - 340 . doi: 10.1038/nature11812 http://dx.doi.org/10.1038/nature11812

江涛，黄迪，宋仁康，等 . 二维材料非线性光学显微［J］. 光学精密工程， 2022 ， 30 （ 21 ）： 2711 - 2736 . doi: 10.37188/ope.20223021.2711 http://dx.doi.org/10.37188/ope.20223021.2711

JIANG T ， HUANG D ， SONG R K ， et al . Nonlinear optical microscopy in two-dimensional materials ［J］. Opt. Precision Eng. ， 2022 ， 30 （ 21 ）： 2711 - 2736 . （in Chinese） . doi: 10.37188/ope.20223021.2711 http://dx.doi.org/10.37188/ope.20223021.2711

陈哲学，王卫彪，梁程，等 . 二维量子片及其光学研究进展［J］. 中国光学， 2021 ， 14 （ 1 ）： 1 - 17 . doi: 10.37188/CO.2020-0176 http://dx.doi.org/10.37188/CO.2020-0176

CHEN Z X ， WANG W B ， LIANG C ， et al . Progress on two-dimensional quantum sheets and their optics ［J］. Chin. Opt. ， 2021 ， 14 （ 1 ）： 1 - 7 . （in Chinese） . doi: 10.37188/CO.2020-0176 http://dx.doi.org/10.37188/CO.2020-0176

林述锋，沈田子 . 氧化石墨烯液晶的光电特性与显示应用［J］. 液晶与显示， 2020 ， 35 （ 7 ）： 733 - 740 . doi: 10.37188/YJYXS20203507.0733 http://dx.doi.org/10.37188/YJYXS20203507.0733

LIN S F ， SHEN T Z . Electrical-optical properties of graphene oxide liquid crystal and its applications ［J］. Chin. J. Liq. Crys. Disp. ， 2020 ， 35 （ 7 ）： 733 - 740 . （in Chinese） . doi: 10.37188/YJYXS20203507.0733 http://dx.doi.org/10.37188/YJYXS20203507.0733

夏风梁，石凯熙，赵东旭，等 . 二维WSe 2 场效应晶体管光电性能［J］. 发光学报， 2021 ， 42 （ 2 ）： 257 - 263 . doi: 10.37188/cjl.20200374 http://dx.doi.org/10.37188/cjl.20200374

XIA F L ， SHI K X ， ZHAO D X ， et al . Optoelectronic performance of 2D WSe 2 field effect transistor ［J］. Chin. J. Lumin. ， 2021 ， 42 （ 2 ）： 257 - 263 . （in Chinese） . doi: 10.37188/cjl.20200374 http://dx.doi.org/10.37188/cjl.20200374

TODOROVA T K ， SIERKA M ， SAUER J ， et al . Atomic structure of a thin silica film on a Mo（112） substrate： a combined experimental and theoretical study ［J］. Phys. Rev. B ， 2006 ， 73 （ 16 ）： 165414-1-9 . doi: 10.1103/physrevb.73.249902 http://dx.doi.org/10.1103/physrevb.73.249902

SEIFERT J ， BLAUTH D ， WINTER H . Evidence for 2D-network structure of monolayer silica film on Mo（112）［J］. Phys. Rev. Lett. ， 2009 ， 103 （ 1 ）： 017601-1-4 . doi: 10.1103/physrevlett.103.017601 http://dx.doi.org/10.1103/physrevlett.103.017601

LÖFFLER D ， UHLRICH J J ， BARON M ， et al . Growth and structure of crystalline silica sheet on Ru（0001）［J］. Phys. Rev. Lett. ， 2010 ， 105 （ 14 ）： 146104-1-4 . doi: 10.1103/physrevlett.105.146104 http://dx.doi.org/10.1103/physrevlett.105.146104

GAO Z B ， DONG X ， LI N B ， et al . Novel two-dimensional silicon dioxide with in-plane negative poisson’s ratio ［J］. Nano Lett. ， 2017 ， 17 （ 2 ）： 772 - 777 . doi: 10.1021/acs.nanolett.6b03921 http://dx.doi.org/10.1021/acs.nanolett.6b03921

KAJIYAMA S ， SZABOVA L ， SODEYAMA K . Sodium-ion intercalation mechanism in MXene nanosheets ［J］. ACS Nano ， 2016 ， 10 （ 3 ）： 3334 - 3341 . doi: 10.1021/acsnano.5b06958 http://dx.doi.org/10.1021/acsnano.5b06958

SUN N ， YANG B Y ， ZHENG J C ， et al . Effect of synthesis temperature on the phase structure， morphology and electrochemical performance of Ti 3 C 2 as an anode material for Li-ion batteries ［J］. Ceram. Int. ， 2018 ， 44 （ 14 ）： 16214 - 16218 . doi: 10.1016/j.ceramint.2018.05.267 http://dx.doi.org/10.1016/j.ceramint.2018.05.267

PERDEW J P ， BURKE K ， ERNZERHOF M . Generalized gradient approximation made simple ［J］. Phys. Rev. Lett. ， 1996 ， 77 （ 18 ）： 3865 - 3868 . doi: 10.1103/physrevlett.77.3865 http://dx.doi.org/10.1103/physrevlett.77.3865

KRESSE G ， JOUBERT D . From ultrasoft pseudopotentials to the projector augmented-wave method ［J］. Phys. Rev. B ， 1999 ， 59 （ 3 ）： 1758 - 1775 . doi: 10.1103/physrevb.59.1758 http://dx.doi.org/10.1103/physrevb.59.1758

GRIMME S . Semiempirical GGA-type density functional constructed with a long-range dispersion correction ［J］. J. Comput. Chem. ， 2006 ， 27 （ 15 ）： 1787 - 1799 . doi: 10.1002/jcc.20495 http://dx.doi.org/10.1002/jcc.20495

PAYNE M C ， TETER M P ， ALLAN D C ， et al . Iterative minimization techniques for ab initio total-energy calculations： molecular dynamics and conjugate gradients ［J］. Rev. Mod. Phys. ， 1992 ， 64 （ 4 ）： 1045 - 1097 . doi: 10.1103/revmodphys.64.1045 http://dx.doi.org/10.1103/revmodphys.64.1045

MARTYNA G J ， KLEIN M L ， TUCKERMAN M E . Nosé⁃Hoover chains： the canonical ensemble via continuous dynamics ［J］. J. Chem. Phys. ， 1992 ， 97 （ 4 ）： 2635 - 2643 . doi: 10.1063/1.463940 http://dx.doi.org/10.1063/1.463940

BARONI S ， GIANNOZZI P ， TESTA A . Green's-function approach to linear response in solids ［J］. Phys. Rev. Lett. ， 1987 ， 58 （ 18 ）： 1861 - 1864 . doi: 10.1103/physrevlett.58.1861 http://dx.doi.org/10.1103/physrevlett.58.1861

GONZE X . Perturbation expansion of variational principles at arbitrary order ［J］. Phys. Rev. A ， 1995 ， 52 （ 2 ）： 1086 - 1095 . doi: 10.1103/physreva.52.1086 http://dx.doi.org/10.1103/physreva.52.1086

WEISSENRIEDER J ， KAYA S ， LU J L ， et al . Atomic structure of a thin silica film on a Mo（112） substrate： a two-dimensional network of SiO 4 tetrahedra ［J］. Phys. Rev. Lett. ， 2005 ， 95 （ 7 ）： 076103-1-4 . doi: 10.1103/physrevlett.95.076103 http://dx.doi.org/10.1103/physrevlett.95.076103

DAS D K ， SARKAR J . Comparison of mechanical properties of silicene estimated using different testing procedures： a molecular dynamics study ［J］. J. Appl. Phys. ， 2018 ， 123 （ 4 ）： 044304-1-9 . doi: 10.1063/1.5009084 http://dx.doi.org/10.1063/1.5009084

TIWARI A ， BAHADURSHA N ， PALEPU J ， et al . Comparative analysis of boron， nitrogen， and phosphorous doping in monolayer of semi-metallic xenes（graphene， silicene， and germanene）： a first principle calculation based approach ［J］. Mat. Sci. Semicon. Proc. ， 2023 ， 153 ： 107121-1 - 5 . doi: 10.1016/j.mssp.2022.107121 http://dx.doi.org/10.1016/j.mssp.2022.107121

濮春英，李春萍，吕林霞，等 . 二维BCN的新结构及光电性质的第一性原理研究［J］. 发光学报， 2020 ， 41 （ 10 ）： 1294 - 1301 . doi: 10.37188/CJL.20200179 http://dx.doi.org/10.37188/CJL.20200179

PU C Y ， LI C P ， LYU L X ， et al . Structure and optoelectronic properties for two dimensional BCN from first-principles calculations ［J］. Chin. J. Lumin. ， 2020 ， 41 （ 10 ）： 1294 - 1301 . （in Chinese） . doi: 10.37188/CJL.20200179 http://dx.doi.org/10.37188/CJL.20200179

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