《Dirac费米子体系纳米结构的电子性质研究》

Dirac费米子体系如石墨烯和二维拓扑绝缘体的物理性质引起了广泛的关注。应变效应、吸附效应和电场效应等引起电子结构变化机理的澄清,将为Dirac费米子体系纳米结构在电子器件等领域中的应用提供科学基础和指导。由临沂大学和南京大学合作,针对上述问题开展了Dirac费米子体系纳米结构的电子性质研究,先后得到多个国家自然科学基金的支持,在低维物理领域内取得了一些重要成果。

1.二维Dirac材料薄膜(六角晶格结构)拓扑性质的研究。

利用密度泛函理论计算,针对其薄膜外延生长在衬底上引起的晶格失配和界面电荷转移的影响,用应变和垂直的电场系统模拟衬底作用,研究氢原子边界吸附对锯齿形双层Bi(111)纳米带的拓扑边界态的调制。研究表明无氢原子吸附的双层Bi(111)薄膜是二维拓扑绝缘体(具有鲁棒性),氢原子边界吸附使费米速度增加1个数量级,狄拉克点可从布里渊区边界移到布里渊区中心,边界态的空间分布是未吸附时的两倍,澄清了这些二维Dirac材料的各种相互作用对其体系电子结构和纳米结构边界电子态的影响规律。

2.石墨烯电子性质研究。

利用理论计算方法对石墨烯二维纳米结构的电子性质进行了系统研究。研究氢原子等在石墨烯和有Stone-Thrower-Wales(STW)缺陷的石墨烯的吸附性质和磁性性质。研究表明含有锯齿形纳米孔缺陷的石墨片是一类特殊的磁性材料,给出了原子吸附使STW缺陷石墨烯的电子结构变化和磁性变化的机制,而且指明了石墨片体系磁性实际应用的可操作性。充分地理解了吸附石墨烯体系的原子结构、电子结构及其奇异特性,为基于石墨烯的气敏和磁敏传感器的发展提供了物理依据。

3.金属-分子(石墨烯)-金属纳米结的电子输运性质研究。

课题组利用密度泛函理论研究了系列有机分子电导与长度的关系。发现一般情况下分子电导随长度的增加呈指数衰减,电子传导遵循隧穿机理。饱和烷烃的衰减因子最大,而共轭全反式聚乙炔的最小。另一方面,由于分子能隙与电子传导的势垒密切相关,衰减因子与分子能隙存在定量关系。该研究揭示了分子电导与长度的关系存在多样性的原因,即分子电导随长度的衰减不仅与分子的能隙相关,而且与电子传导路径密切相关,为设计及探索理想的分子导线提供了方向。吸附在Ni(111)和Cu(111)表面的锯齿型石墨烯纳米带的电子输运的研究揭示了石墨烯与不同金属接触时界面接触电阻的起源,对实验上如何选择石墨烯电子器件的基底材料或电极材料具有重要价值。

该项目相关的8篇代表性论文发表在国际重要期刊上,其中有《Carbon》、《Nano Lett.》、《Phys.Rev.B》、《Appl.Phys.Lett.》和《ChemPhysChem》等。论文单篇SCIE引用次数高达88次,其中SCIE他引次数高达69次。8篇论文共计SCIE引用次数314次,其中SCIE他引次数共计239次。

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