基于石墨炔的新型二维材料的电子结构与输运特性

Graphyne is a new type of two-dimensional carbon material, which exhibits intriguing physical and chemical properties. There are many allotropes for graphyne, such as α-, β-, γ-, and (6, 6, 12)-graphyne. Similar to graphene, some allotropes of graphyne have linear dispersion bands around the Fermi level, forming Dirac cones. In this project, we intend to design novel compounds and composites based on graphyne, i.e., new compounds with some carbon atoms replaced by boron, nitrogen, oxygen or fluorine atoms, and new composites with 3d transition metal atoms or clusters adsorbed on or embedded in graphyne. We will thoroughly investigate the geometries, electronic and magnetic properties of these systems by using density functional theory, to look for new two-dimensional materials with p-state or d-state Dirac cones. In addition, the quantum transport properties of the two-dimensional materials will be explored by using non-equilibrium Green’s function method, especially the spin-dependent transport properties and optoelectronic properties. We believe that this project has important scientific significance and potential application value, providing original and valuable ideas to design new materials and functionalized nanodevices.

石墨炔是一种新型二维碳材料，具有丰富的物理和化学性质。石墨炔有许多同素异形体，例如α-，β-，γ-和(6，6，12)-石墨炔。与石墨烯类似，部分石墨炔的同素异形体在费米能级附近具有线性色散关系，形成Dirac锥。本项目拟基于石墨炔设计二维化合物或复合物。在化合物中，部分碳原子被硼、氮、氧或氟原子取代，形成新的二维材料。在复合物中，石墨炔表面将吸附或“镶嵌”3d过渡金属原子或团簇。利用密度泛函理论，本项目将深入研究这些体系的几何结构、电子性质和磁性，并寻找新的具有p电子态或d电子态Dirac锥型色散关系的二维材料。利用非平衡格林函数方法，这里还将研究这些二维材料的量子输运性质，并重点关注自旋相关的输运性质和光电子性质。本项目为设计新材料和功能化纳米器件提供了新思路和新途径，具有重要的科学意义和潜在的应用价值。

石墨炔是一种重要的二维纳米碳材料，具有潜在的应用价值。利用密度泛函理论结合非平衡格林函数方法，本项目从理论上探索了基于石墨炔的纳米材料和纳米器件的电子结构和量子输运性质。具体来说，我们首先探索了基于石墨炔的不同纳米结构的物理和化学性质，例如能带和磁性等。然后基于这些纳米结构设计了不同的纳米器件，包括同质结，异质结和分子器件等。通过不同的物理或化学手段，例如掺杂B原子或N原子、改变纳米材料的边缘结构等，来调控这些纳米器件的量子输运性质。我们在这些纳米器件中发现了丰富多彩的输运特性，包括自旋过滤效应、双自旋过滤效应，巨磁电阻、负微分电阻、光生自旋流以及显著的热电效应等。本项目的研究成果有助于实现低维纳米碳材料在自旋电子学、光电子学和热电子学中的应用，有助于从微观上对相关的输运机制进行理解，因而具有重要的科学意义。