段文晖、吴健、顾秉林研究团队在石墨烯研究中取得新进展强束缚石墨烯体系中的Dirac费米子发现增强石墨烯强度的新方法

2012年11月05日

段文晖、吴健、顾秉林研究团队在石墨烯研究中取得新进展

(一) 强束缚石墨烯体系中的Dirac费米子 作为单原子层碳二维材料的石墨烯,是近年来凝聚态物理学、材料科学等领域的热点问题,得到了科学界的广泛关注和研究,这主要归因于其独特的线性Dirac能带结构。石墨烯的二维属性决定了其在实际应用中需要放在衬底上,然而其与衬底的相互作用会造成石墨烯平面结构的改变,从而影响其电子特性,尤其是在强束缚石墨烯的衬底上,线性色散的Dirac能带结构会消失。但从应用的角度讲,强束缚意味着更好的力学和热学稳定性,因此从理论上预测具有Dirac能带结构的强束缚石墨烯体系是该领域的重要问题。 最近,我系博士研究生李元昌、陈鹏程在导师段文晖教授的指导下,与顾秉林院士、吴健教授、周刚研究员、美国伦斯勒理工学院的张绳百教授合作,利用第一性原理计算,对3d过渡金属插层的碳化硅外延石墨烯三明治结构的电子学性质进行了系统的研究。在这种强束缚的石墨烯体系中,他们发现了主要由过渡金属贡献的Dirac锥形能带结构,并且不同的过渡金属体系显示出多样的电子学性质。比如,锰体系的Dirac点恰好位于费米能级上,就和自由的石墨烯一样;铬体系是自旋极化的;而钴和镍体系中由于对称性的降低发生了Dirac点在倒空间中的偏移。他们进一步建立了一个相互作用模型定性的解释Dirac费米子从石墨烯向过渡金属的转移。该研究工作不仅表明在强束缚的石墨烯体系中同样可以存在几乎和自由石墨烯电子性质相同的Dirac线性色散能带结构,而且其Dirac费米子转移的思想有可能为基于石墨烯的电子学器件设计和应用方面提供新的思路。该成果以“Dirac Fermions in Strongly Bound Graphene Systems”为题发表在2012年11月14日的Physical Review Letters 上。

(二)发现增强石墨烯强度的新方法 寻找或者设计超硬、超强材料一直是凝聚态物理和材料科学领域重要的研究课题之一。在石墨烯二维平面内,σ键构成了石墨烯的骨架;在垂直平面内,π键形成了二维电子气。这种独特的晶体结构使得石墨烯具有非常高的硬度和强度,是迄今为止自然界中最强的二维材料。因此,石墨烯在制备超轻、超薄、超强材料以及柔性电子学方面具有潜在的应用。通常,在原子或者分子层面上进行特殊的结构设计,如制备复合材料或者合金等,可增强材料强度。然而人们关于电子结构改变对材料强度的影响却知之甚少。 最近,我系博士研究生司晨在导师段文晖教授的指导下,与美国犹他大学刘峰教授和刘峥博士合作,基于第一原理计算,提出了一种新型的利用电荷掺杂增强石墨烯强度的方法。该方法与传统的通过结构设计提高材料强度的方法完全不同。研究表明,当电荷掺杂浓度在小于1014cm-2范围内,电子或空穴掺杂可以提高石墨烯的强度约17%。在拉伸应变下,他们发现导致石墨烯断裂的K1声子的软化,与应变加强的孔恩异常有关。电荷掺杂抑制了其孔恩异常,因而抵消了部分应变效果,使K1模式变硬,从而提高了石墨烯强度。同时,由于石墨烯Dirac点处高的电子-空穴对称性,因此电子和空穴在增强高石墨烯强度方面具有类似的行为。该成果以“Electronic Strengthening of Graphene by Charge Doping“为题发表在2012年11月30日的Physical Review Letters上。