多种石墨烯结构在掺硼金刚石表面生长的机制和物性研究

Graphene is a two-dimension material which has potential applications in various fields because of its excellent electronic transport properties, heat conductivity, hardness, etc. However, the substrate materials of graphene usually constrain its applications. Diamond has excellent physical properties such as hardness, chemical stability and heat conductivity. Therefore, as a substrate material for graphene, diamond will largely enhance the applications as well as properties of graphene. First, by using first-principles calculation, we thoroughly studied the incorporation of boron atoms into diamond (111) surface. And we discovered that the doped boron atoms can induct a sp3-sp2 phase transition, resulting in a spontaneous formation of graphene on diamond surface. And late this result has been realized in experiment indeed. Furthermore, by controlling the incorporation of boron at diamond surface, we will study the spontaneous formation of different graphene structures such as graphene chain, graphene island, zig-zag graphene nano ribbon. Moreover, we will study the formation mechanism, physical properties such as energy band structure and electronic transport properties aroused by the specified geometry structures. We will also supply theoretical prediction for the formation and applications of these novel graphene structures.

石墨烯二维结构具有极好的输运性质、导热性、硬度等特性，在很多领域都有广泛的应用前景。然而石墨烯结构的基底材料往往是一个瓶颈而影响其应用。金刚石结构具有极好的硬度、化学稳定性、导热性等物理特性，如果作为石墨烯的衬底材料，将能极大地扩展其性能及应用。我们首先在理论上用第一性原理方法对硼掺杂的金刚石（111）表面进行了深入地研究，发现由于硼的诱导作用，金刚石表面发生sp3-sp2相变，从而金刚石表面自发地再构成石墨烯结构，此结果已经在实验上得到实现。进一步地，我们计划研究通过调制硼掺杂在金刚石表面所形成的一系列特殊石墨烯结构，比如石墨烯链、zig-zag石墨烯带、石墨烯岛等结构，并研究其形成机制，以及这些特殊几何结构所导致的能带结构、输运性质等方面的新奇物性，从而为其制备和应用打下坚实的理论基础。

二维石墨烯材料因其特有的输运、导热和硬度等优异性质，具有广泛的应用前景，是当前物理、化学和材料等学科的重要研究领域。本基金项目着重开展了两个方面的研究工作，一是针对石墨烯的衬底问题，我们在金刚石（111）面上通过掺入三价的硼原子生长石墨烯，二是提出制备一维石墨链的方法。我们的第一性原理计算发现，在金刚石（111）表面上通过掺入硼原子，在表面上会自发地形成石墨烯，并在后来的实验中得到实现。进一步的结果是，如果在金刚石（111）表面上沿[-110]方向在第五层放置一排硼原子，那在每个硼原子顶层会自发形成一个由六元环组成的一维石墨链，同时，表面的其他部分也自发地再构成Pandy chain的结构，一维石墨链的电学特性保持石墨烯的线性色散关系。本课题的科学意义在于这不是简单的表面生长，而是利用了金刚石（111）表面的再构和碳原子的杂化特性，掺杂在第五层的三价硼原子等价于在第四层的碳原子上产生一个悬挂键，而金刚石（111）表面上的每个碳原子都有一个悬挂键，每个这样的碳原子都有从sp3杂化到sp2杂化的趋势，表面的碳原子和内部的碳原子里应外合遥相呼应，导致了第一个双层（bilayer）与第二个双层之间的碳原子发生由sp3向sp2的转化，从而第一个双层从金刚石表面脱离形成石墨烯结构。要强调的是这不是金刚石之间键的断裂，而是碳原子的杂化态的转变所导致的层与层之间的分离。