新型碳基二维纳米材料超导电性的理论研究

It has become a focus of new two-dimensional nanophase materiasl due to its novel physicaland chemical properties since the first successful isolation of graphene. However,the potential superconductivity character of two-dimensional nanophase materials are often ignored. The project will study the stability, electronic structure, the origin of superconducting properties of doping graphene with different doping elements (such as Y, Sc, Nb, V, Zr, S, Se, Yb, Te, etc.) under the external stress by computer simulation. We mainly focus on to predict what doping of the elements and how much stress can lead two-dimensional nanophase materials to become a superconductor with high superconducting transition temperature. The completion of this project will provide guidelines for experiment to design two-dimensional nanophase material superconductor with high superconducting transition temperature, provide for the general law of thepressure on the structure and physical properties of the doped graphene, and also is important for meeting the national needs and solving the issues of scientific frontier materials .

以石墨烯为代表的二维纳米材料被发现以来，因其新颖的物理化学特性，迅速成为新型功能材料的研究焦点。然而在众多的研究焦点中，其可能存在的超导特性被大多数人所忽略。本项目拟通过计算机模拟的方法，在以碳为主的二维纳米材料中引入掺杂原子，使其转变成为金属，进而研究其超导性质。研究内容包括系统地研究在富碳条件下加入不同元素（如Y、Sc、Nb、V、Zr、S、Se、Yb、Te等）后二维纳米材料结构的稳定性、电子结构、超导的产生和随应力变化的内在机制等等。理论预测碳元素和何种元素以及在多大应力下可能形成具有高超导转变温度的二维纳米材料。本项目的完成为实验上成功研制具有超导特性的二维纳米材料提供重要的理论依据，同时也为应力下二维纳米材料的结构与物性的一般性规律提供知识储备，在满足国家需求和解决材料物理前沿科学问题等方面具有重要意义

采用基于粒子群的结构预测方法结合密度泛函理论的VASP程序，对一些碳基二维纳米材料及可能形成的其它二维纳米材料进行结构预测和性质计算，研究发现：(1) C和N形成稳定的由C-N 五环、六环和八圆环构成的C4N结构，该结构具有狄拉克锥，其费米速度可以与石墨烯相当，是潜在的光电子材料；(2) 首次提出As的二维结构，电子性质的计算表明二维As是潜在的光学半导体材料；(3) 预测得到新的二维金属BC3N2结构，该结构是潜在的具有大约40K的超导温度；(4)预测得到新的二维SnAs结构并发现该结构带隙约为1.754eV, 是一个带隙可控的半导体。上述研究结果为新型二维纳米材料提供了重要的理论指导。