基于交连石墨烯的碳泡沫的电子结构及量子输运性质

Twenty-first century will be the era of carbon.In the electronic field, graphene is considered as the most important electronic material after silicon.But the zero bandgap of graphene limits its application in the electronic devices. The carbon foam based on the interconnected graphene is a new type of graphene allotrope consisting of sp2 and sp3 hybridization atoms.The preliminary studies indicate that, not only the new carbon material inherits excellent conductivity of graphene, but also its bandgap can be tuned by adjusting the ratio of sp2 and sp3 hybridization atoms inner the structure. Therefore, this new type of carbon material is an ideal electronic material and will have great potential applictaions in the electronic field. But the studies on the electronic properties of the carbon foam, especially on the quantum transport properties in the carbon foam have not been carried out up to date, and thus many problems need to be systematically analyzed and deeply discussed. This proposal will study theoretically electronic structure and electronic transport properties of carbon foams and their nanosystems based on the interconnected graphene. By the studies of this proposal, we will on one hand demonstrate the intrinsic electronic properties of the carbon foams and also clarify the microscopic physical mechanism,on that hand find some new quantum phenomena in the new carbon allotrope, propose new quantum devieces and then provide physical basis and theoretical models for fabricating the electronic devices made of these carbon materials.

21世纪将是碳的时代。在电子学领域，石墨烯由于其优异的物理性质被认为是将来取代硅的主要电子材料。但是石墨烯的零带隙极大地限制了它在电子器件中的应用。基于交叉连接石墨烯的碳泡沫是一种sp2和sp3混合杂化的新型碳同素异形体。初步研究表明，这种新的碳结构既继承了石墨烯优异的导电性能，又可以通过改变结构内部sp2和sp3杂化原子的比例来调控其带隙，因此是一种理想的电子材料，在电子学领域有着巨大的应用前景。但是目前对这种新型碳材料电子性质特别是量子输运的研究还没有完全展开，还有很多问题需要做系统的分析和深入的讨论。本项目将从理论上对基于交叉连接石墨烯的碳泡沫及其纳米体系的电子结构和电子输运性质进行研究。通过本项目的研究，一方面阐明这种碳泡沫结构的本征电子属性及其微观物理机制；另一方面，在这种新的碳同素异形体中发现新的量子现象，提出新的量子器件，为实验制备基于这种碳材料的电子元器件提供物理基础。

碳材料一直是各个领域关注的重点材料之一。在电子学领域，石墨烯由于其优异的物理性质被认为是将来取代硅的主要电子材料。基于交叉连接石墨烯的碳泡沫是一种sp2和sp3混合杂化的新型碳同素异形体。初步研究表明，这种新的碳结构既继承了石墨烯优异的导电性能，又可以通过改变结构内部sp2和sp3杂化原子的比例来调控其带隙，因此是一种理想的电子材料，在电子学领域有着巨大的应用前景。本项目从理论上对基于交叉连接石墨烯的碳泡沫及其纳米体系的电子结构和电子输运性质进行研究。我们提出了一系列的三维碳网络结构，如五边形碳环网络、kagome三维碳家族、交叉石墨烯网络、碳蜂窝结构、扶手椅型石墨烯纳米条带碳网络结构、基于硼薄片构建的三维硼烯网络等。研究了这些结构的电子性质，发现了很多新的拓扑相如外尔点、外尔环、节点线、节点环、节点面等，也研究了这些拓扑相的拓扑性质，提出了研究这些结构的系统的轨道理论、紧束缚模型、kp模型等；也研究了这些材料的纳米结构的拓扑性质、表面磁性、电子输运、热输运以及在网络结构的孔内吸附气体分子时的气体存储性质。这些研究完全契合本项目预期的研究内容，也很好地完成了本项目地研究目标。通过本项目的研究，一方面阐明这种碳泡沫结构的本征电子属性及其微观物理机制；另一方面，在这种新的碳同素异形体中发现新的拓扑相和量子输运现象。