有缀饰双层硼烯的电子结构研究开题报告

 2020-02-10 11:02
1.目的及意义(含国内外的研究现状分析)

自2004年曼彻斯特大学的Geim小组利用机械剥离法成功制备出单层石墨烯(graphene),二维材料开始从理论预言走向实际应用,从此开启了一个新的研究领域[1]。受益于石墨烯晶体中以sp2轨道杂化形成的六角蜂窝晶格结构,石墨烯的电子结构展现出了新的半金属性电子结构[2]:其能带在费米面上态密度为零,但并没有带隙;在费米面上能带交点处,能量动量呈现出线性色散的关系,载流子有效质量为零,因此载流子迁移率极高。同时由于不存在有效质量,载流子在传输中表现出相对论效应。这使得石墨烯展示出了许多新的物理性质,如量子霍尔效应[3],拓扑绝缘性[4],量子隧道效应[5]等。

然而,尽管石墨烯载流子迁移率极高,但是其带隙过小,在常温下只需要热激发就能导电,这大大限制了石墨烯在微电子半导体领域的应用。为了突破这一限制,一方面,科研工作者们在研究通过应力、掺杂[6]、引入其他原子或基团修饰[7]等手段来调控石墨烯的性能,实现半金属到半导体的转变;另一方面,科学家们也在寻找新的类石墨烯的二维材料。与碳同族的硅烯[8]、锗烯[9]、锡烯[10]也相继被合成出来,其电子结构也展现出狄拉克半金属特性。

与此同时,人们也在探索IV族元素之外的元素单质或化合物能否形成稳定的二维层状结构,取得了丰富的成果。近年来,以MoS2为代表的过渡金属硫化物(Transition-metal dichalcogenides, TMDs),和以黑磷为代表的V族元素磷烯便是其中的佼佼者。MoS2块体具有层状结构,层中共价键结合很强,层与层之间靠范德瓦尔斯力结合,与石墨烯一样便于使用机械剥离法制备[11]。电子结构方面,块体MoS2是间接带隙半导体;然而剥离到单层后MoS2变为直接带隙半导体,且表现出谷间自旋轨道耦合,这一特性有助于其在光器件、微电子器件中的应用[12]。与MoS2相似,黑磷块体是靠范德瓦尔斯力结合的层状磷单质,但是无论单层、多层或块体,黑磷都表现出直接带隙,块体黑磷有着0.3ev带隙,剥离至单层时带隙约为2.0ev[13]。2014年,复旦大学张远波课题组和中科大陈先辉课题组率先合作利用机械剥离法制出单层黑磷纳米片后[14],黑磷越来越多的新奇的物理性质逐渐被人们发现,如各向异性的机械性能和导电性能[15]、负泊松比[16]、易诱导的能带拓扑相变[17]等。然而黑磷在空气中不稳定,这极大地制约了它的应用潜力。

作为与碳元素相邻的III族元素,由硼元素制备的纳米材料也渐渐走进了人们的视野。2007年,来自耶鲁大学Tang的研究团队设计出了两种由两种三元硼环和六元硼环混合的新型硼烯,分别被称为α-sheet硼单层和β-sheet硼单层;此外,他们还证明:当三元硼环和六元硼环的比例是12:1时会得到整体能量最低、最稳定的构型[18]。此后,越来越多的单层硼烯结构被设计出来[19, 20]。值得一提的是,来自美国Nebraska的Zeng团队利用粒子群优化算法(PSO)找到了9000余种硼烯构型[21]。虽然理论上的进展非常多,但是直到2015年,Guisinger等人才第一次在实验室中制备出了单层正交硼烯薄膜[22]。这项工作也极大地增强了研究者的信心,激发了科研人员更深入的研究硼烯的晶体结构和电子性质[21, 23]。

除去完全平坦的硼单层薄膜以外,Zhou等人设计出了两种有表面褶皱的二维硼烯,分别属于Pmmm和Pmmn对称群,有趣的是,属于Pmmm相的硼烯是狄拉克材料,这一特点引起了人们的关注[24]。

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