硅基和TiC基纳米体系结构和性能预测

Recently, the research enthusiasm on two-dimentional(2D) materials has largely extended beyond graphene and promoted the rise of numerous 2D monolayer sheets. Their exotic physical properties have shown great potential in the fields of nano-electronic device, superconducting, hydrogen storage. By using the first-principles calculations and the non-Equilibrium Green's Function (NEGF) method, the present project makes an analysis on the stability, electronic and transport properties of silicene, silicon nanotube, and TiC low-dimensional structures, as well as the hydrogen storage capacity and the catalytic properties.The main contents are as follows: Firstly, it will discuss the stability, electroni structre, hydrogen storage capacity and the catalytic properties of metal decorated silicene and silicon nanotube, and explore the physical mechnism of the sp2 hybridization induced by the metal atoms, and propose some possibilities of practical hydrogen storage applications. Secondly, the stabilty and electronic property of TiC clusters will be studied. We will construct a new series of TiC nanotube/nanoribbon, and investigate the stability, electronic and transport properties, and boundary effect.

近年来，对二维原子晶体的研究迅速从石墨烯向其它材料扩展，许多新奇的结构被提议，研究结果展示出它们在单电子器件、超导、储氢等领域潜在的应用。本项目采用第一性原理计算和非平衡格林函数方法，研究二维硅烯、硅纳米管和TiC基纳米材料的稳定性、电子结构、输运特性以及储氢、催化性能，力图寻找新型功能材料。项目主要完成以下内容：1)研究金属原子修饰二维硅烯、硅纳米管结构特性、储氢和催化特性，探索金属元素诱导的硅sp2 杂化的物理机制，探讨它们在储氢性能上可资利用的价值；2)探寻TiC纳米团簇结构演化规律，在电子结构的层次上挖掘TiC纳米团簇趋于稳定的物理机理；设计构建可能存在的各种手性、各种结构单元的TiC纳米管/带，分析边界效应、端口效应对其结构的影响；探索可能的自旋极化输运材料。

二维材料的研究日新月异，从开始的石墨烯到后来的氮化硼、硅烯、硫化钼、黑鳞等等，二维体系丰富多样，结构新颖，并且表现出许多奇特的物理化学性质，在未来的电子、信息、能源等领域具有巨大的应用潜力。当前，二维材料及其纳米结构的相关研究已成为材料科学和凝聚态物理领域最活跃的前沿。. 本课题组对课题项目进行了认真的研究，主要研究内容及意义如下：1) 采用基于密度泛函理论的第一性原理计算, 对金属原子修饰硅二维结构，主要是硅烯和硅烷的结构稳定性、电子结构以及小分子吸附特性进行了研究，研究发现金属原子修饰的硅烷有望成为一种理想的储氢材料。2) 构建并得到稳定的过渡金属-碳二维结构，主要研究了TiC2、TiC3、以及ScC的结构稳定性、能带结构和态密度，进一步地研究了基于TiC2单层的纳米带的结构稳定性和电子性质。研究结果表明这些准二维结构都具有较高的热力学和动力学稳定性。电子结构的分析给出TiC2和ScC都具有导体的特征，TiC3是间接带隙的半导体。3) 国际上首次预言了一个由60个碳原子和20个钪原子组成的稳定的类排球状分子团簇，并把它命名为排球烯。研究结果受到国内外同行广泛关注，论文先后被选为Nanoscale封面论文和热点论文；被"MIT Technology Review", "Physics Today", “Chemistry World”, "New Scientist"(Volume 225, Issue 3010, p19)等栏目专题报道；“Volleyballene”作为一个新单词被World Wide Words (Issue 910, 7 March 2015) 收录。4) 对新型硼纳米体系的结构和储氢特性进行了研究，提议一个具有D2对称性的中空Li20B60笼状结构，构建并得到稳定的硼二维结构和管状结构，研究其电子结构和储氢特性，发现锂修饰硼纳米管具有良好储氢特性。5) 基于冰的氢键网络以及沸石结构与碳的sp3结构的拓扑相似性，探索碳的新物相，分别得到五种Ice carbons和六种具有较宽带隙的新型碳同素异形体。