石墨烯纳米拓扑结构原子尺度可控制备及其与衬底之间的复杂量子效应研究

After discovery of graphene, its excellent properties are widely reported which is highly dependent on atomic precise fabrication of graphene nano-structure, e.g., armchair or zigzag GNRs. However, atomic precise fabrication of graphene nano-structure still remains a significant challenge. This project will carry on first principle calculations including Van der Waals interaction and spin-orbital coupling to investigate substrate mediated bottom-up fabrication of graphene nano-structure from molecule precursors. We will mainly focus on micro-mechanism behind this progress, such as polymerization, dehydrogenation, C-C bond formation and orientation. Most important is the effect of substrate in all these processes. Furthermore, we will discuss the interaction between substrate and graphene nano-structures, which can be used to control topological properties of their electronic structures. All of these investigations are required for new quantum electronic devices based on graphene in future.

自石墨烯发现以来，关于它的各种优异性能就有大量报道，但这些性能都非常依赖于原子尺度可控的石墨烯的各种纳米拓扑结构，如armchair或zigzag边缘的纳米带。可惜目前石墨烯的原子级可控制备尚面临巨大挑战。本项目将主要采用包含范德瓦尔斯和自旋轨道耦合作用的第一性原理方法研究衬底辅助聚合一些特定的分子前驱体自下而上的原子级可控制备石墨烯纳米带以及具有各种拓扑结构的石墨烯材料，研究这种制备方法的微观过程, 比如分子前驱体聚合和脱氢的顺序，衬底表面脱氢和碳碳成键过程的机制，了解碳碳成键方向的选择性；研究衬底的催化特性在这些过程中起的作用以及不同石墨烯纳米结构的生成对不同衬底的依赖关系。进一步研究衬底和石墨烯材料的相互作用，探讨通过衬底的电子结构来调控石墨烯纳米结构电子态的拓扑性能，增强石墨烯中的自旋轨道耦合效应，揭示石墨烯和衬底相互作用的机理，为制备基于石墨烯的新型量子器件提供理论依据。

石墨烯类材料的奇异性质和其特殊的拓扑结构有直接联系， 本项目主要研究不同的拓扑结构和其量子性质的关系并探索通过不同衬底表面对其拓扑性质进行调控。 我们研究了石墨烯分子前驱体DBBA的自组装过程，分析了不同贵金属表面对其自组装过程的影响。更重要的是我们不仅仅把研究对象局限于构成石墨烯的四族元素，还在执行过程中把研究对象扩展到由五族元素构成的二维材料，发现了类石墨烯低维量子体系Bi（110）中的量子输运和关联效应及其新奇量子现象，获得重大进展， 同时也发现在五族二维材料中两类新型的Dirac量子态，并被最新的实验证实。我们的研究结果发表后即获得大量关注， 不到三个月即入选ESI高被引论文。 不仅被国际知名期刊做正面引用，而且被国际知名半导体理论物理学家美国东北大学Arun Bansil教授和美国德克萨斯州立大学奥斯丁分校Qian Niu教授分别在Reports on Progress in Physics 79 (6), 066501和Reviews of Modern Physics 88, 021004等国际著名综述期刊作为重要文献进行引用。探索了包括铋在内的所有具有这种皱褶结构的二维五族材料，发现不论是否考虑自旋轨道耦合，这类皱褶结构的二维体系中都可以存在受拓扑对称性保护的狄拉克电子态，具有各向异性和自旋分辨，而自旋轨道耦合的引入保证了边界上产生可长程保持自旋分辨的电子态，总结出了利用这种皱褶结构的对称性实现受拓扑对称性保护的自旋电子态的一般性规律，提出了调控和实验实现这一电子态的物理机制。这一工作发表在Nature出版集团唯一的计算材料学刊物： NPJ Computational Materials 2（2016）16011。我们也系统研究了一种新制备出的类石墨烯二维材料MoN2以及 TiO2/PbTiO3二维界面电子气的一些性质，发现可以通过应力和铁电极性对其化学键和磁学性质进行合理调控。