二维碳材料掺杂与修饰的第一性原理研究

Graphene and the other two-dimensional (2D) carbon materials are a new type of striking materials, and their doping and modification will extend many new applications of carbon materials. In this proposal, using our systematic approach of structural generation from grid-enumeration, a series of B, N, S, O, Si, P, Ge doped and -H, -F, -Cl, -Br, -OH, -SH, -NH2, -CH3, -C6H5 modified 2D carbon materials will be predicted and their stability and electric properties will be investigated using the first principle methods. There are three distinguishing features in this proposal: (1) The wide-range of the doped and modified ratio (from 1:200 to 1:1), which will make it possible to induce the law of stability and electric properties with the doped and modified ratios. (2) Unfolding techniche on band structure of supercell, which can be used to investigate the influence of doping and modification on the electric conductor and find some possible 2D doped or modified materials with the Dirac cone(s). (3) A database of carbon materials,including the original, doped and modified carbon materials. All of these results and techniches will guide the experimentalists to make the new 2D carbon materials with the outstanding properties.

石墨烯和其他二维碳材料是最有潜力的一类新材料，对这些二维碳材料的掺杂和修饰将进一步大范围拓展碳材料的应用范围。本项目将采用我们自主开发的基于格点枚举的结构生成法，生成一系列可能的B, N, S, O, Si, P, Ge等掺杂的或-H, -F, -Cl, -Br, -OH, -SH, -NH2, -CH3, -C6H5等修饰的二维碳材料，使用第一性原理研究这些掺杂或修饰材料的稳定性和电学性质。本项目有三个显著特点：(1)掺杂率和修饰比的范围大(1:200-1:1)，通过对大范围掺杂率和修饰比的材料的系统研究，归纳总结出掺杂和修饰对材料性能的影响和规律；(2)使用unfolding技术"打开"超晶胞的能带，通过对比能带在掺杂和修饰前后的变化，研究掺杂和修饰对材料导电性的影响，或者寻找具有Dirac锥的掺杂或修饰材料；(3)建立碳材料及其掺杂和修饰材料的数据库，为新型碳材料开发提供理论指导。

二维碳材料包括石墨烯等一系列由一层碳原子组成的片层材料，对其进行掺杂和修饰是扩展其应用的主要方向之一。本项目主要采用第一性原理方法，研究了二维碳材料及其掺杂和修饰的结构和性质，主要内容包括三个部分：（1）二维碳材料的生成；（2）碳材料的掺杂；（3）材料数据库开发。在这三个研究方向，我们取得了以下进展：（1）在结构生成算法上取得了重要创新和进展，找到了系统生成具有指定对称性的二维材料的算法。由于具有一定对称性的二维材料才有比较好的性质，所以生成二维材料17个对称群中的某个对称结构是本项目的重点。我们根据新算法开发了新的程序，只要给定对称群，就可以自动生成相应对称性的二维结构。目前，已经找到了一系列以晕苯为主要基元的二维碳材料以及很多以其它的平面有机碳骨架为基元的结构。这种算法既可以应用到二维材料的掺杂和修饰，还可以扩展到三维晶体、对称性分子或团簇的结构生成，具有比较广泛的应用。（2）在碳材料的掺杂方面，我们主要研究了硼为主的掺杂，包括硼氮掺杂，硼基材料等，找到了一种潜在的超级载流子新材料和一种可以用作光学材料的新材料。（3）材料数据库对新材料的系统开发和应用具有基础作用。我们开发了太元材料数据库，并且整理了四千多种新材料的结构和性质。总之，本项目在结构生成算法上有重大进展，在新材料预测方面和材料数据库的开发方面有一定的进展。