新型二维electride电子性质的第一性原理研究

The success of graphene research has motivated search for new two-dimensional (2D) layered materials, and consequently, the 2D materials family has grown rapidly and still continues to add new members. Indeed, a new class of 2D layered materials called electrides have recently been realized and their exotic electronic properties have attracted growing interest in the fields of condensed matter physics and materials science. It is notable that 2D layered electrides possess unusual excessive electrons between layers that act like anions. However, the physics of such anionic electrons and how they affect the electronic properties of electrides have been largely unexplored so far. Moreover, there are only a few existing or proposed 2D electrides, which should limit materials choice for future device applications. In this work, we plan to use theoretical modeling and simulation approaches to search for new 2D electrides and deeply understand their electronic properties. Our research procedures include the following steps: 1) to effectively search for 2D electrides, we will first screen out the best candidate materials, 2) we will perform global structure search for unknown candidates and examine whether they are electrides, 3) we will investigate their fundamental properties associated with anionic electrons, 4) we will study their fabrication or growth mechanisms, 5) we will investigate property control regarding their device applications. This systematic research will help understand the fundamental properties of 2D electrides and accelerate their adoption in future device technologies.

石墨烯的成功研究促使人们寻找新的二维材料，因此二维材料家族增长迅速且不断增加新成员。最近新发现的二维层状材料名为，其独特的电子性质在凝聚态物理和材料科学领域引起了广泛关注。值得注意的是，二维electride层间具有像阴离子一样的特殊的额外电子。然而迄今为止阴离子电子的物理性质以及它们如何影响electride的电子性质依旧未知。本研究中，我们计划使用理论建模及模拟的方法搜索新的二维electride并深入了解其电子性质。研究包括以下几个步骤：1）我们将高效地搜索并筛选出最佳候选材料，2）我们将对候选材料进行大范围结构搜索判断其是否为electride，3）我们将研究它们与阴离子电子相关的基本性质，4）我们将研究它们的制备和生长机制，5）我们将根据相关的器件应用对其性能进行调控。此研究能深入理解二维electride的基本性质，并加速其在未来器件技术中的应用。

自石墨烯被发现以来，二维（2D）材料因其特殊的性能和应用潜力而受到各个科学领域的广泛关注。随着新的二维材料的出现，人们已经开始使用最先进的计算和实验方法来理解它们的基本性质。例如，基底上的外延生长方法可以大规模生产大尺寸和高质量的石墨烯样品。此外，外部刺激包括应变、电场和掺杂，改变了二维材料的电子性质。.二维层状电子化合物，作为新的二维材料，它们有着特别的电子性质，如在间隙空间中松散束缚的过量电子。2013年，第一个层状电物质Ca2N被发现。与典型的二维材料相比，电层是由离子型相互作用而不是范德华力束缚的。这些新的2D材料特性有广泛应用的潜力。例如，Ca2N提供了520 cm2V-1s-1的高电子迁移率和较长的平均散射时间（0.6皮秒）。此外，Ca2N的功函数较低，为2.6 eV，比金属Ca（2.9 eV）小约0.3 eV；这种较低的功函数可以降低发光二极管中的电子注入势垒。自Ca2N被发现以来，出现了几种新的二维电子材料，如Y2C、Gd2C、YCl、LaCl等。.本项目主要研究二维电子材料的电子特性及其在未来器件中的潜在应用，旨在为各种可能的应用提供有价值的信息。为此，我们寻找新的二维电化物及其异质结构，并利用第一性原理密度泛函理论计算和理论建模方法系统地研究了电子性质。我们还探索了新型二维电化剂的性能优化，包括缺陷和掺杂。此外，我们的目的是研究外部刺激是否可以调节或控制二维电极物的电子性质。.在过去的三年里（2018~2021），如之前的报告所述，我们研究了这些新的二维电化合物的基本性质，如稳定性和层间相互作用。此外，我们还研究了它们在催化和能量储存方面的潜在应用。在去年（2022年），我们继续探索二维电子化合物的电子性质及其与其他二维材料的异质结构。结果，我们发现二维电化物形成异质结构显著提高了催化活性。在研期间，我们在Nature Communications, Advanced Functional Materials, and Nano Letters等期刊上发表了24篇论文，在此，我对国自然基金委员会表示衷心的感谢。