碳二维原子晶体“环十二烯”的理论研究及其子结构的实验制备

Crystals with single or few atomic layers are defined as two-dimensional atomic crystals. Graphene, a carbon two-dimensional atomic crystal, has been successful prepared by many experimental methods. However, its applications in the field of semiconductor devices are limited due to zero energy band-gap. In this project, a new graphene-like sp2 hybrid carbon two-dimensional atomic crystal, cyclododecene, is proposed. Its band-gap has been found to be opened by 44.6 meV in prestudy, which differs from graphene. The physical properties of cyclododecene and its derived structures will be further studied by density functional theory (DFT). Its carrier mobility will be calculated using deformed potential theory. Defects and doping will be investigated by DFT. The interactions between small gas molecules, lithium and cyclododecene will be evaluated in order to discover its potential value in applications. The mechanism of band inversion at compressive strain will be theoretically elucidated. The feasibility of inducing quantum anomalous Hall effect by transitional metal adsorption and controlling Van Hove singularities position in energy band of bilayer cyclododecene will be investigated. The substructure of cyclododecene will be assembled by single-molecule manipulation and tailoring techniques using scanning tunneling microscope (STM).

二维原子晶体是指具有单原子层或几个原子层厚度的晶体，实验上已经通过多种方法成功制备了碳二维原子晶体石墨烯，但石墨烯的零带隙限制了它在半导体器件方面的应用。本项目提出一种新型类石墨烯sp2杂化碳二维原子晶体-环十二烯，预研过程中发现与石墨烯不同的是环十二烯带隙打开了0.48 eV。拟进一步利用密度泛函理论（DFT）研究环十二烯及其衍生结构的物性；通过形变势理论计算载流子迁移率；利用DFT研究环十二烯的各种缺陷、掺杂和过渡族金属原子吸附；并开展环十二烯与气体小分子和碱金属Li的相互作用研究，发掘环十二烯的潜在应用价值；理论上解释预研中发现的压应变条件下能带反转的物理机制；确定通过过渡族金属原子吸附实现量子反常霍尔效应及通过双层环十二烯控制Van Hove奇点位置的可行性；利用扫描隧道显微镜（STM）单分子操纵与剪裁技术组装环十二烯的子结构。

二维原子晶体是指具有单原子层或几个原子层厚度的晶体，实验上已经通过多种方法成功制备了碳二维原子晶体石墨烯，但石墨烯的零带隙限制了它在半导体器件等方面的应用。本项目提出一种新型类石墨烯sp2杂化碳二维原子晶体-环十二烯（也可以简称为THD-graphene），通过杂化密度泛函理论计算，我们发现与石墨烯不同的是环十二烯的带隙打开了约0.48 eV，从而克服了石墨烯在场效应晶体管等应用方面的限制。通过形变势理论计算，我们发现THD-graphene具有极高的载流子迁移率，电子载流子迁移率约是空穴载流子迁移率的10倍。通过vdw-DFT理论计算，我们研究了小分子气体在THD-graphene上的吸附及其对载流子迁移率的影响，结果表明载流子迁移率对不同分子吸附的响应不同，因此可以根据载流子迁移率的变化探测小分子气体。THD-graphene实际上是一个π共轭二维原子晶体，项目研究过程中我们还提出了一种新的类似的体系（PHE-graphene），并且系统的研究了碳二维原子晶体的平面刚度，结果表明平面刚度的最大值与碳原子的面密度近似成正比，这一发现可以作为二维碳原子晶体的力学性能预测的理论依据。如果金属性的PHE-graphene用于Li-S电池的阴极材料，还可以避免S原子进入电解液，消除了Li-S电池中的Shuttle效应，从而提高电池的寿命，同时S阴极导电性差的问题也可以得到解决。另外一种类似的二维材料DHP-graphene及其卷曲成的纳米管同样可以用于Li-S电池的阴极材料，DHP-graphene纳米带的电子结构计算表明它可以是金属性的也可以是半导体性的，甚至我们在DHP-graphene纳米带中发现了具有带隙的线性色散能带结构。项目研究过程中，我们还发现碳二维原子晶体、纳米管、富勒烯等均可以作为基本的结构单元自下而上制备三维碳材料，这对于利用低维碳结构制备新型碳材料具有一定的参考意义，其中AB堆积的THD-graphene在压力下可以制备一种三维TBBC碳材料。该项目研究中所取得的主要研究结果对于新型碳材料的发现、制备和实际应用都具有重要科学意义。