半氢化硼烯薄片的电子与激子性质

硼烯因其机械柔性、多态性及光电各向异性等优异性质引发了广泛关注。最近，一种名为 $\alpha'$-4H 的新型半氢化硼烯以大规模独立样品被合成，其表现出优异的空气稳定性与半导体特性。本文中，我们利用密度泛函理论（DFT）与多体微扰理论（MBPT）研究了 $\alpha'$-4H 硼烯的电子与激子光学性质。DFT 结果表明，氢化通过打破纯 $\alpha'$-硼烯的镜面对称性并增大其屈曲高度，引起轨道杂化，并在 $\alpha'$-4H 硼烯中打开 1.49 eV 的间接带隙。该值在 G0W0、GW0 与 GW 理论层级下分别被修正为 1.98、2.23 与 2.52 eV。由求解 Bethe-Salpeter 方程所得光学谱显示其光学带隙为 2.40 eV，对应于结合能 1.18 eV 的强束缚稳定亮激子。更重要的是，激子态在高达 10% 的拉伸下保持稳健，此时单层结构动力学稳定。我们还设计并研究了具有不同堆垛方式的双层 $\alpha'$-4H 硼烯。由于层间范德华相互作用较弱，双层可保留单层大部分结构与电子性质。我们的研究揭示了 $\alpha'$-4H 硼烯结构、电子与光学性质背后的物理机制，并表明其作为柔性光电子应用的极具前景的候选材料。