二维硼墨烯的生长机制和基础性质的第一性原理研究

Borophene is a new kind of 2D material, which has been theoretically predicted for many years. Until the end of 2015, experimenters synthesized it on Ag(111) surface for the first time. Borophene has many similar properties as graphene, such as one-atomic-thickness, hexagonal holes, high mechanical strength, high thermal conductivity, Dirac fermions, and so on. It also has some special properties, such as metallic electronic structure, superconductivity, structure polymorphism, anisotropic transportations, and so on. Therefore, borophene is attracting many attentions. In this project, we will employ the first principles calculations and molecular dynamics simulation to study the atomic and electronic structures of borophene grown on substrates. We will study the growth mechanism and dynamics of borophene on various substrates, where the modulation of chemical composition, structure, defect, and step edges of substrates are also considered. Based on the calculation data, we will propose a basic model for growth of borophene and help experimenters to choose the right substrate for borophene growth. On the other hand, we will study the basic physical and chemical properties of borophene and its derivatives, including transportation properties, mechanism properties, optical properties, magnetism, chemical stability, quantum controlling, and so on. Based on these basic properties, we will search for potential applications for borophene. Finally, we will combine our theoretical results to experimental investigation, and we will gain a deep understand and significant development of 2D boron materials.

硼墨烯是早已被理论预测的新型二维材料，但是到2015年才被成功制备。它拥有许多与石墨烯类似的性质，例如单原子厚度、六角形孔洞、很高的机械强度、高导热率、狄拉克电子态等。硼墨烯还有很多独特性质，包括金属性、超导温度高、结构多样、各向异性的输运性质等，因此备受关注。在本项目中，我们将利用第一性原理计算和分子动力学模拟确定在衬底调控下外延生长的硼墨烯的原子电子结构。我们将研究硼墨烯成核的动力学机制和生长规律，以及衬底的化学性质、形貌、台阶缺陷等对硼墨烯生长的调制作用。在大量计算的结果和实验观测的基础上，我们将提出了关于硼墨烯生长机制的基本模型，并以此模型推测和选择合适的衬底。另一方面，我们将研究硼墨烯极其衍生物的输运性质、力学性质、光学性质、磁性、化学稳定性、量子调控等物理化学性质，探索其潜在的应用价值。通过理论模拟的结论和实验观测相结合，最终将硼墨烯材料研究推广到一个新天地。

近年来，以硼烯（硼墨烯）为代表的新型二维材料由于其独特的原子和电子结构而受到了广泛的研究，而二维材料的外延生长机制以及衬底对其结构和电子态的影响决定了其潜在的制备和运用前景。在本项目的支持下，我们利用第一性原理计算和分子动力学模拟方法结合实验的原位观测，对衬底外延的硼烯材料进行了系统的研究，包括揭示了硼烯纳米带在Ag(110)衬底上的结构和生长规律，利用衬底电荷转移调控硼烯的原子结构，利用不同结构的硼烯组成一维同质结实现了一维近自由电子态，利用量子力学和经典力学结合模型进行动力学模拟从而发现了一系列二维硼炔的结构，这些硼炔不但结构稳定还具备了很多新奇电子态，包括狄拉克费米子、电子平带、半导体等。此外，在硼烯研究的基础上，我们还进一步延伸了相关的二维材料的理论预测，包括预测了锡烯在Au（111）衬底上的生长，由于其具有1*1结构因此有希望实现本征电子态和剥离，揭示了碲烯纳米线的原子结构，发现了二维SnSb合金的外延生长和黑磷到蓝磷结构的相变规律，并预测其蓝磷结构具有超稳定物化性质，是非常有前景的二维结构，并为这类材料的制备和应用探索提供了基础支持。另一方面，在本项目还支持了我们发展了可以用于二维材料模拟的新型理论方法，包括设计利用杂化二维材料进行一氧化碳脱硝的催化理论模型和提出经典描述符。利用分子模拟结合经典成核理论，对传统的成核理论进行原子层次上的修正，建立材料生长成核的自由能预测模型，该方法的建立有望实现二维材料高温下成核生长初期的动力学过程预测。基于分子片模型，建立了凝聚态系统的高精度全量子化学光谱计算方法，首次实现了聚集态发光系统的激发态全量子力学计算，获得了化学精度的吸收和发射光谱。该方法可以用于聚集态包括分子聚集体、二维材料等的基态和激发态性质的高精度理论预测。