新型铜基硫族二维原子晶体结构与物性的理论研究

Copper and copper chalcogenides have been widely used for thousands of years. However, as most of the three-dimensional (3D) copper chalcogenides are not layered-materials, it is hard to exfoliate them into monolayers. Thus two-dimensional (2D) copper chalcogenides materials are not widely investigated in the blooming 2D research field. Recently, due to the rapid progress of fabrication methods, it is now possible to synthesize/fabricate copper chalcogenides monolayers in which the quantum-confinement effect is introduced to enrich the physical properties. ..In this project, using quantum mechanical calculations based on density functional theory (DFT), we will search and design new type copper chalcogenides in 2D form and investigate their structure-property relationships. Instead of starting from the parent copper chalcogenides bulk materials, we will directly design new 2D copper chalcogenides by combining cooper and chalcogen atoms (O, S, Se, and Te) in two typical geometry configurations, square shape and honeycomb shape. By comparing total energy and checking the existence of negative-frequency phonon modes, we can test the stability of the newly-designed materials. If there are no negative-frequency phonon modes, we will do a large-scale and long-time molecular dynamics simulation to determine the upper limit temperature under which the materials can survive. We will also calculate the properties to check whether these theoretical-designed materials have interesting properties, such as superconductivity, topological surface states, Dirac or Fermi cones, and so on. We will check whether these copper-based 2D materials can be used as catalysts for hydrogen evolution reaction (HER) or water dissociation. We will functionalize/tune the properties of the newly-designed materials using various techniques, such as strain, doping, defects, and so on. With these knowledge, we will collaborate with experimentalists and aim for fabricating new 2D copper chalcogenides with potential applications.

铜基硫族化合物是一类重要的功能材料，在光学、电子学、催化等领域都有着重要应用，然而关于铜基硫族二维原子晶体结构与物性的研究仍处于起步阶段。本课题拟采用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法，设计新型铜基硫族二维原子晶体材料，研究其结构与物性之间的关联，并进一步对其物性进行调控。本课题将直接计算铜与硫族元素的不同配比组合，考虑方形和蜂窝形两种晶体结构，不依赖于三维块材来寻找新型二维原子晶体；通过比较材料形成能考察其热力学稳定性，通过声子谱中是否存在虚频判断所设计材料是否结构稳定，通过长时间、大尺度的分子动力学演化测试材料稳定存在的温度上限；对于室温稳定的材料，研究其是否具有超导电性、拓扑表面态等新奇物性，以及能否用于催化析氢反应和光解水反应；并且进一步讨论通过掺杂、施加应力等手段对材料物性进行调控。期望通过本项目的开展，设计3至5种结构稳定、性能优异的新型铜基硫族二维原子晶体材料。

铜基硫族化合物是一类重要的功能材料，在光学、电子学、催化等领域都有着重要应用，然而关于铜基硫族二维原子晶体结构与物性的研究仍处于起步阶段。在项目资助期间，申请人采用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法，围绕新型二维铜基硫族化合物材料的设计；新型二维铜基硫族材料的物性；新型二维铜基硫族材料的物性调控这三个方向，开展了一系列研究，取得了以下一系列创新性研究成果：1.设计了新型二维二碲化亚铜（Cu2Te）和砷化铜（CuAs）的结构，并与实验合作，共同研究了其制备及物性。这一研究成果对于新型二维铜基硫族化合物材料的设计提供了理论范式；2.研究了新型二维原子晶体硒化亚铜（Cu2Se）的制备、结构相变。单层Cu2Se样品在空气中的稳定性使得这种具有纯热相变的材料在温度传感器领域具有极大潜力；3.实现了石墨烯纳米结构原子级精准的可控折叠。这一研究成果对构筑量子材料和量子器件（机器），研究其新奇物理现象具有重要的科学与技术上的意义；4.利用原子吸附与应力相结合的办法使半导体材料CuSe及其类似物CuS/CuTe转变为电子结构拓扑非平庸的材料，实现了对物性的调控。该设计方法具有普适性，打开了从丰富的二维半导体材料出发设计获得稀有的拓扑绝缘体材料的大门；5.研究了催化剂材料二氧化铈(CeO2)还原过程中的氧原子的输运通道，该研究揭示了CeO2还原过程中氧原子的扩散路径及相关机制，为设计CeO2相关的功能材料提供了有价值的参考。申请人按照预期的研究计划，有序开展项目，原定计划全部完成。本项目的成功实施，为新型铜基硫族二维原子晶体材料的制备与功能化提供了指导和帮助。