低维硼纳米材料及其缺陷态的功能化应用研究

开展非碳纳米材料研究，对发展新型光电子材料和器件应用具有重要意义。最近，对硼纳米材料的结构和稳定性研究受到了广泛关注，并取得了很大的突破，而深层次的功能化应用研究却非常少。超前于实验的功能化理论研究对材料的实际应用至关重要。我们目前的初步研究发现，硼富勒烯金属包合物的磁矩随金属原子位置的不同表现出二元特性，这一发现对该材料在磁存储和磁性开关方面的应用具有重要指导意义。因此，我们提出采用分子动力学模拟和第一性原理相结合对硼纳米管和硼富勒烯的功能化应用开展系统研究：通过对硼纳米管的缺陷功能化，得到其合成过程中可能的缺陷结构的形成过程和组装规律，为相应的实验工作提供理论指导；通过分别对硼纳米管和硼富勒烯的外壁化学修饰以及对硼富勒烯笼内包合的功能化研究，建立材料微区结构调整和宏观性能的关系。研究结果将为进一步探索低维硼材料的实验合成和实际应用提供理论指导，为材料的设计和器件的开发提供可靠的理论。

由于信息技术飞速发展的需要，传统的微电子器件正朝高度微型化、集成化的纳米器件方向发展。低维纳米材料在纳米电子器件、纳米光电器件、纳米分子器件和高密度非挥发性存储器件等工程领域具有巨大的应用前景。因而，最近几年，发展新型低维纳米材料成为纳米材料学和纳米电子学领域最新兴和前沿的研究热点。各国科研工作者对此开展了一系列的研究，人们期待通过各种理论和实验探索合成更多更具优越性能的新型功能材料与纳米器件。硼在元素周期表中与碳“最近邻”，一直以来，对硼纳米管和硼团簇的研究得到了尤为广泛的关注，科学家试图得到类似于碳家族的更具优越性能的低维硼家族纳米材料。然而，在本项目申请中我们曾经通过调研提出，尽管目前已经对硼纳米管和硼富勒烯的几何结构和稳定性研究取得了很大的突破和较为一致的结论，但更深层次的功能化应用和合成过程中可能的缺陷结构的研究报道却非常少。而超前于实验的功能化研究对材料的实际应用至关重要。在项目开展的过程中，我们采用分子动力学模拟和第一性原理相结合对硼纳米管和硼富勒烯的功能化应用开展系统研究：（1）通过过渡金属原子与硼富勒烯的碰撞反应功能化研究发现，过渡金属原子可以稳定存在于硼富勒烯的两个不同位置，且功能络合物的磁矩随金属原子位置的不同表现出二元特性，这一发现对该材料在磁存储和磁性开关方面的应用具有重要指导意义，（2）开展了硼富勒烯的碱土金属外壁修饰功能化及其络合物作为储氢材料的计算模拟研究。研究发现，碱土金属原子中Mg原子能够以适当数目稳定的均匀分布在硼富勒烯的表面。金属原子与硼笼之间的电荷转移以及由此而激发的微弱电场能够对氢分子有较强的吸附作用而不导致氢分子的分解，从而达到了很乐观的可逆储氢重量密度。研究对于硼富勒烯作为储氢材料在能源环境方面的应用具有重要意义，（3）开展了BN异质类富勒烯笼的聚合研究。研究发现(BN)12笼通过聚合可以形成多种新颖的中空立体管状结构。这一发现对于该富勒烯笼状结构作为一种纳米砖块，构造纳米器件中可能需要的纳米结构具有重要的指导意义。（4）开展了低维硼纳米线的结构设计和电学磁学性能研究。研究发现了几种稳定的纳米线。这些纳米线的电学磁性性能，具有取向依赖性。这和块体硼材料的相关性能截然不同。这些研究结果得到了国内外同行专家的认可，并均在国际著名学术期刊如Nanosale, APL，JPCC等杂志上发表。