二维材料石墨炔.doc

二维材料：含杂原子石墨炔的狄拉克锥 根据第一性原理电子结构计算,,含有杂原子硼和氮的6(H2),14,18石墨炔和6BN,6,12石墨炔在它们的能带结构里分别被用来显示其狄拉克点。这表明存在狄拉克点的能带结构既不局限于二维材料石墨烯材料也不局限于其他的二维全碳材料。6(H2),14,18石墨炔和6BN,6,12石墨炔分别属于矩形二维空间组pmm和pm,从而和石墨烯相比,表现出完全不同的对称性。6BN,6,12石墨炔的特点是在带间隙中产生了狄拉克锥，而这一带间隙正是起源于它的价带和导带在狄拉克点处不可避免的交叉，这一交叉是由于反应对称性的消失。6(H2),14,18石墨炔和6BN,6,12石墨炔这两个例子显示了带有多种化学组成和电子性质的二维材料和石墨烯一样令人惊异，它们正等待着被发现。 引言 石墨烯，目前吸引了巨大的科学关注由于其非凡的电子特性,特别是其极高的电导率带有可比性的电子和空穴的迁移率。这使得石墨烯成为很有发展前景的未来碳基电子材料。 石墨烯惊人的电子特性起源与所谓的狄拉克点和狄拉克的存在。在狄拉克点处，石墨烯的价带和导带会在费米能级上一个单个点相遇。因此石墨烯可以看作一种无间隙的半导体或在费米能级上零态密度的金属。在狄拉克点附近价带和导带形成一个双锥,即狄拉克锥,这一双锥沿着一个已经确定的对称方向接近带有零曲率的费米能级。直到最近,在石墨烯的二维材料中六角蜂窝型晶格的存在被认为是一个狄拉克点存在的先决条件。事实上,在石墨烯蜂窝结构中两个相同六角形亚晶格的存在给了石墨烯电子一个正式的描述，这一描述是通过一个狄拉克类似的汉密尔顿函数含有二维自旋的操作者实现的，这导致了石墨烯价带和导带相遇时产生的点的命名，即狄拉克点。而这个狄拉克汉密尔顿函数的的适用性对于电子而言与石墨烯蜂窝结构联系,狄拉克点的存在没有在参考13中给出。 在参考13中，我们用了3种2维的全碳材料来体现狄拉克点。α石墨炔和β石墨炔这两种石墨烯体现了六角形对称；而第三种材料，6,6,12石墨炔有一个矩形的结构对称，但是在布里渊区域包含了四个狄拉克点，布里渊区域是形成相关对称的一对。从参考13的注释中可以看出，一个2维的材料，当它的价带的导带在费米能级或接近费米能级的地方相遇于一点时，其产生了一个双锥形的结构，这个双锥结构在接近价带和导带的相遇点出提供一个狄拉克点，然后在至少沿一个方向的零曲率上提供一个狄拉克点。 到目前为至，石墨炔是在2维碳的同素异形体中唯一能够按一定规律被产生或合成的。然后，也有许多其他的拥有周期性的2维碳材料结构是化学稳定的。事实上，合成其他有同样特性的材料的尝试已经被成功的实现了。这个方法就是在金属表面上将合适的分子前体进行化学气相沉积来合成石墨炔，这一策略已经被作为一个具有深远意义的途径对于那些碳基的周期性的2维材料。甚至已经有在铜表面上里面双反应的前提分子实现纳米石墨炔的合成的报道。虽然这一石墨炔并没有体现带结构中的狄拉克点，但它的合成证明了和2维碳的同素异形体中与石墨烯不同的石墨炔也适用于以上原理。 除了仅仅只有碳原子的2维碳材料，那些包含杂原子的材料也能适应这一结果。这里就提出这样一个基础性问题：是否这样的含有杂原子的材料在电学性能上与石墨炔相似或者可能优于石墨炔呢？再通过第一性原理电子结构的计算后，我们发现事实确实是这样的。我们展示了两种这样的材料（图像1（c）和1（d））。其中之一是6BN,6,12石墨炔是由6,6,12石墨炔派生出的结构，这一结构含有硼和氮两种杂原子；另一个是6(H2),14,18石墨炔，它也是由6,6,12石墨炔派生出的，它是将6,6,12石墨炔的乙炔单元移除掉，接着将带有氢原子的苯环来代替之。这两种结构都体现和6,6,12石墨炔相似的矩形单元；然而，6BN,6,12石墨炔属于对称组pm，而6(H2),14,18和,6,12石墨炔同属于一个对称组pmm。通过几何优化我们了解到这两种结构都是稳定的，因为优化得到的结构在潜能表面拥有局部的最小值。6(H2),14,18石墨炔在它的带结构中体现了狄拉克锥；6BN,6,12石墨炔在一个绩效的带间隙中体现了狄拉克锥。 根据电子结构的计算，我们注意到与石墨烯相似的硅烯在它的带结构中也拥有狄拉克锥，这个狄拉克锥在拓扑绝缘体的界面出能被看到，甚至在3维材料也能预测这样的结论。 图像1 图像1 这一文章总结如下：在下一部分有计算细节，在第三部分是计算结果，在第四部分是结论。 计算细节 所有计算均采用Kohn-Sham形式的密度泛函理论(DFT) 的VASP软件包，并使用PBE的交换关联功能。原子的核心是用投影缀加平面波的方法来展现出来的。我们使用平面波的截断能量为450 eV ，这一截断电压在总能转换成每个原子带有0.002 eV 是屈服与总能，这已经在使用更高