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行业新闻

三维狄拉克半金属的超导特性

石墨烯(Graphene)是具有蜂窝状原子结构和单层原子厚度的二维碳材料。它的发现不仅打破了长久以来二维晶体无法在自然界中稳定存在的预言,其自身的优异性质也使得石墨烯在基础和应用研究中都极具潜力。尤其是狄拉克锥(Dirac cone)的存在赋予了石墨烯许多新奇的物理现象和电子性质,例如半整数、分数和分形量子霍尔效应,超高迁移率等。
石墨烯的研究打开了发掘更多二维材料的大门。到目前为止,已有上百种二维材料被人们所发现,这包括了第四主族单质,第三和第五主族构成的二元化合物,金属硫族化合物,复合氧化物,等等。但这其中只有石墨烯、硅烯(Silicene)、锗烯(Germanene)、部分石墨炔(Graphynes)、以及其他少量体系被认为可能具有狄拉克锥。而且,只有石墨烯中的狄拉克锥真正地被实验所证实。那么,为什么二维狄拉克材料如此稀少?这类材料具有怎样的结构特征和性质?如何寻找和设计新的狄拉克体系呢?
    围绕这些问题,北京大学化学与分子工程学院的王进莹博士、邓时滨博士、刘忠范院士和刘志荣副教授共同撰写了综述文章“稀有的二维狄拉克材料”并发表在《国家科学评论》2015年第1期()。该文综述了多种二维狄拉克材料的最新理论研究进展,如石墨烯、硅烯、锗烯、石墨炔、数种硼片和碳片、过渡金属氧化物(VO2)n/(TiO2)m和(CrO2)n/(TiO2)m、有机和有机金属晶体、so-MoS2、和人造晶格(电子气和冷原子)等。文中重点介绍了这些二维狄拉克材料的结构和电子性质,阐述了狄拉克点的产生、移动和消失过程,并采用相关理论解释了二维狄拉克体系的稀少性,提出了狄拉克锥的存在对体系的对称性、参数、费米能级和能带耦合的严格限制,为寻找新型二维狄拉克材料提供了方向。
近年来刘忠范院士和刘志荣课题组就石墨烯等纳米材料的理论研究展开广泛合作,深入探索该类材料的能带调控、电子输运性质、和化学反应等问题。刘忠范课题组发展了系列控制生长和化学修饰石墨烯的方法,实现了对石墨烯电子性质的部分调控。例如,他们采用化学气相沉积法结合多种物质源,设计制备出氮掺、硼掺、和氮化硼杂化石墨烯;通过化学反应实现了对石墨烯的共价修饰,发展了光催化剪纸技术、光氯化加成法、光致甲基化、和非对称共价修饰等方法。在实验研究基础上,刘志荣课题组采用第一性原理计算、紧束缚模型等工具从理论上系统研究了石墨烯等相关纳米材料的电子性质。他们探索了量子限域、机械应力、化学修饰、和区域杂化等方法对石墨烯能带结构和电子输运性质的调控,阐明了带隙调控和迁移率变化的内在关联,提出了氮化硼杂化石墨烯可能是同时具有非零带隙和高迁移率(可达105 ?106 cm2 V-1 s-1)的材料。此外,他们还深入研究了石墨炔、四方碳等其他二维碳材料,发现了狄拉克锥的存在与晶格对称性的密切关系,并设计出系列新型二维狄拉克材料。
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