碳基及相关纳米结构的电子性质研究
一、项目名称
碳基及相关纳米结构的电子性质研究 二、申报奖励等级
自然科学奖一等奖或二等奖 三、项目简介
石墨烯、碳纳米管等费米材料奇特的能带结构和物理性质引起了广泛的关注。应变效应、吸附效应和电场效应等引起电子结构变化机理的澄清，将会为碳基及相关纳米结构的体系在电子器件、自旋电子学等领域中的应用提供科学基础和指导。由临沂大学陈丽教授等人和南京大学赵健伟教授合作，针对上述问题开展了碳基及相关纳米结构的电子性质研究，先后得到多个国家自然科学基金的支持，在纳米结构和低维物理领域内取得了一些重要成果。
(1) 石墨烯和碳纳米管制备及其电子性质研究
利用理论计算相结合的方法对石墨烯、碳纳米管等二维碳基纳米结构的电子性质进行了系统研究。研究H等原子在石墨烯和有Stone-Thrower-Wales(STW)缺陷的石墨烯的吸附性质和磁性性质。研究表明含有锯齿形纳米孔缺陷的石墨片是一类特殊的磁性材料，给出了原子吸附使STW缺陷石墨烯的电子结构变化和磁性变化的机制，而且指明了石墨片体系磁性实际应用的可操作性。充分地理解了吸附石墨烯体系的原子结构、电子结构及其奇异特性，为基于石墨烯的气敏和磁敏传感器的发展提供了物理依据。
(2) 二维Dirac材料薄膜（六角晶格结构）拓扑性质的研究
利用密度泛函理论计算，研究H边界吸附对锯齿形双层Bi(111)纳米带的拓扑边缘状态的调制；针对其薄膜外延生长在衬底上引起的晶格失配和界面电荷转移的影响，用应变和垂直的电场系统模拟衬底作用。研究表明无H吸附的双层
Bi(111)薄膜是二维拓扑绝缘体(具有鲁棒性)，H边界吸附使费米速度增加1个数量级，狄拉克点可从布里渊区边界移到布里渊区中心，边界态的空间分布是未吸附时的两倍，澄清了这些二维Dirac材料的各种相互作用对其体系电子结构和纳米结构边缘电子态的影响规律。
(3) 高压下的钻石氮（金刚石结构）结构研究
通过基于粒子群优化算法的结构搜索技术（CALYPSO），发现了一种稳定的与金刚石结构非常相像的笼型结构的聚合氮，称之为钻石氮（N10），10个氮原子形成一个笼型结构，每个笼子为格点形成高度对称的体心立方结构，这是继Pba2后发现的更高压强下的稳定结构。钻石氮是一个宽能系绝缘体，而且在263GPa后比目前所有其他形式的聚合氮都要稳定，这个压力也是高压实验上能够实现的。这一发现为理解固态氮在极端条件下的行为以及探索丰富的高压物质结构提供了重要理论依据。
(4) 金属-分子-金属纳米结的电子输运性质研究
我们利用密度泛函理论研究了系列有机分子电导与长度的关系。发现一般情况下分子电导随长度的增加呈指数衰减，电子传递遵循隧穿机理。饱和烷烃的衰减因子最大，而共轭全反式聚乙炔的最小。另一方面，由于分子能隙与电子传递的势垒密切相关，衰减因子与分子能隙存在定量关系。本研究揭示了分子电导与长度的关系存在多样性的原因，即分子电导随长度的衰减不仅与分子的能隙相关，而且与电子传递路径密切相关，为设计及探索理想的分子导线提供了方向。
本项目相关的8篇代表性论文发表在国际重要期刊上，其中有《Carbon》、《Phys.Rev.Lett.》、《Nano Lett.》、《Phys.Rev.B》、《Appl.Phys.Lett.》和《ChemPhysChem》等。论文单篇SCIE引用次数高达69次，其中SCIE他引次数高达52次。8(20)篇论文共计SCIE引用次数217(352)次，其中SCIE他引次数共计154(259)次。 四、重要科学发现
碳基及相关纳米结构（石墨烯体系等）的研究是凝聚态物理中的前沿课题，且具有广泛的应用前景。本项目用理论和实验相结合的方法研究体系性质，得到了一些重要成果，对碳基和相关纳米结构传感器的制备提供了物理依据。
(1)原子吸附对含有Stone-Thrower-Wales 缺陷的石墨烯电子结构的影响 石墨烯（Graphene）被称为Dirac材料。近几年，Dirac材料奇特的能带结构和物理性质引起了广泛的关注。但在石墨烯的制备中通常出现各种缺陷，其中一种缺陷是Stone-Thrower-Wales 缺陷。我们通过第一性原理计算研究了H、N和P原子在石墨烯和有Stone-Thrower-Wales(STW)缺陷的石墨烯的吸附性质。根据能量判断，三种原子都易于吸附在STW缺陷上。氢原子吸附在碳原子的上面，而 N和P吸附在两个碳原子的桥位上。在有STW缺陷的石墨烯中，N原子的吸附将使位于氮原子下面的两个碳原子键断开, 本研究给出了原子吸附使STW缺陷石墨烯的电子结构变化和磁性变化的机制，为石墨烯传感器的制备提供了物理依据。此项工作发表在Carbon上【Li Chen,* Hao Hu, Yu. Ouyang, Hongzhe Pan, Yuanyuan Sun and Feng Liu, First-principles calculations of atomic adsorption on graphene with STW defects, Carbon 49, 3356 (2011)】。
图1. 含有Stone–Thrower–Wales 缺陷的石墨烯结构图
(2)含有纳米孔的石墨体系的磁性研究