Dirac体系自发掺杂诱生的结构剪裁机理和电子性质优化

Modern electronic technology based on silicon semiconductor is faced with the limit from thermal effect and quantum effect. Therefore, to look for new alternative materials physics becomes to be an important research subject for physics, chemistry and materials science. The grapheme and graphyne, as the representative of the Dirac system, promise great potential applications and the value in the nanoelectronic devices. Dirac systems commonly are two-dimentional(2D) semimetal with zero band gap. Their structural cutting and band gap opening must be first solved in the design and application of nano electronic devieces corncerning them. In addition, we will further to study the effect of impurities on the electronic properties of Dirac system and to determine the change law of electronic properties before and after cutting or doping. Our goals is to find the best and the most effective methods for electronic structure modulation and realize band gap opening at last. This project adopts the theoretical method and concerns the resolutions of the two basic quenstions in Dirac system, which is interdependent and very important, The related mechanism revealed here are an important reference both for the basic research and device design for Dirac system.

以硅为代表的现代电子技术面临热效应和量子效应的制约，找寻新的替代材料 成为物理学、化学和材料科学的重要研究课题。以石墨烯和石墨炔为代表的Dirac体系在纳电子器件中具有巨大的应用潜力和价值。Dirac体系多为带隙为零的二维半金属材料，其结构剪裁和带隙打开是它们在纳电子器件设计与应用中必须首先解决的问题。本项目从石墨烯中存在的杂质自发掺杂的现象出发，拟建立起Dirac体系普适性的由自发掺杂诱生的结构剪裁机制，为Dirac体系的可控剪裁提供一种现实解决途径；另一方面，对杂质效应在Dirac体系电子性质方面的体现进行研究，确定剪裁前后、掺杂前后体系的电子性质改变规律，找到有效的、最佳的电子结构调控方法，最终实现带隙的打开。本项目采用理论方法，关注Dirac体系两个相互关联、基础却十分重要的问题的解决，拟揭示的相关机制，对Dirac体系的基础理论研究及其相关器件设计具有重要的参考价值。

以硅为代表的现代电子技术面临热效应和量子效应的制约，找寻新的替代材料成为物理学、化学和材料科学的重要研究课题。以石墨烯和石墨炔为代表的Dirac体系具有高电子迁移率，高热稳定性和高电场输运等优良物化性质而在纳电子器件中具有巨大的应用潜力和价值。总所周知，现代电子器件的核心基于半导体的“开关”特性。而半导体这种“先天”的性质从物理本质上来源自于半导体价带和导带之间的带隙。然而Dirac体系多为带隙为零的半金属，无法实施“关”操作。显然，寻求高电子迁移率，且具有本征带隙或者通过调控后能实现带隙打开的新型Dirac材料是其在逻辑门和场效应管器件中应用的基础。另一方面，要实现各种形状的基于Dirac体系的电子器件也必然会遇到其结构的剪裁，如何有效剪裁Dirac体系成为其器件应用的第一步。基于上面考虑的问题，我们系统地研究了Dirac体系中如何实施结构剪裁及其如何调控Dirac体系的电子性质，为未来基于Dirac体系的纳电子器件设计与应用提供理论支持。结构剪裁方面，我们提出了Dirac体系的掺杂模型，它能大幅降低碳基纳米材料中的原子键合及其键合能，而从更容易实施Dirac体系的剪裁，为碳基Dirac二维材料微切割迈出了第一步也是重要的一步。电子结构调控方面，我们提出了使用p-n共掺杂的方法来调控Dirac体系的电子结构。p-n共掺杂是个宽泛的概念，并不局限于元素掺杂，任何能同时引入电子和空穴的方式方法都能达到调节Dirac体系电子结构和带隙的目的。研究所揭示的相关机制、方法和路线对Dirac体系的基础理论研究及其相关器件设计具有重要的参考价值。