低维硼的结构预测及性质研究

Boron, one of the most important elements, has a broad prospect of application. However, it was restrained for the development of boron device due to its particular structural complexity. In this project, we will develop and improve the methods for predicting crystal structures of low-dimensional materials by combing experiments and first-principle calculations, such as the application of molecular technique and magnetic property in two-dimensional (2D) boron system. The crystal structures of boron sheets, thin films, surfaces, and nanomaterials would be studied carefully and thoroughly, also for their novel properties, such as the formation mechanisms. We would explore the growth rhythm of 2D boron on different substrates, and try to find some novel 2D boron with fascinating property, e.g., Dirac effect, superconductivity and magnetism.

硼，最重要的轻元素之一，有着广泛的应用前景，由于其结构特别复杂，制约了硼材料和器件的发展和认识。本项目主要通过第一性原理计算结合实验，进一步发展和完善低维材料结构预测的相关算法，如分子技术和磁性预测在低维硼材料结构预测中的应用。较系统地研究硼单层、一定厚度的二维硼、硼表面、硼纳米材料等，从原子(电子)层次阐明新材料(新结构)形成原因及新颖物理现象的起源。研究在不同衬底上的生长规律，揭示相关材料尚未发现的其它物理性质及原因(如狄拉克效应、超导和磁性现象等)。

由于其独特的结构、优越的电子性质和广泛的应用前景，石墨烯的发现荣获了2010年诺贝尔物理学奖。自此，开展设计、生长性能可比拟、甚至某些功能超越石墨烯的二维材料研究席卷全球。硼作为碳元素的近邻，自然成为研究的焦点。我们采用第一性原理预测了一系列具有新奇功能性质的硼烯新结构。首先是预测了各向异性的双狄拉克锥硼烯，提出了生长该硼烯的具体方案，狄拉克硼烯具有潜在优异的输运性质，这种材料若能合成，在先进电子器件等方面具有较重要的应用前景。将进化算法和自旋极化第一性原理计算相结合发展出了预测二维磁性材料的新方法，能高效寻找出更多新颖的、不同种类的二维磁性材料和结构，应用该方法预测磁性硼烯，确认具有三个原子层厚度的硼烯是稳定的反铁磁半导体。理论结合实验，研究了硼在Cu(111)表面的生长，研究发现通过降低材料结构维度，导致层内铜硼之间相互作用(p-d杂化)增强，从而有利于电荷转移，最终导致二维铜硼化合物有序结构形成。此外，我们还提出了截获亚稳硼单质的新途径，丰富了硼元素的同素异构体。上述实例揭示了元素硼晶体结构的复杂性和功能性质的新颖性，加深了人们对硼元素结构和性质的理解。