三维碳、硼网络中的拓扑半金属

发布时间：2020-07-25 08:39

【摘要】：硼、碳元素由于其丰富的原子成键特征拥有大量的同素异形体结构。近年来,一些硼、碳同素异形体结构的成功制备更是吸引了人们的目光。譬如,多种二维硼烯结构和一些三维石墨烯网络结构先后被实验报道。另一方面,拓扑材料是目前另一个研究热点,各种零维点、一维线、二维面的拓扑半金属元素被相继提出并被实验验证。但是,目前提出的大部分三维拓扑材料包含质量较重、具有强自旋轨道耦合的元素,而对三维硼、碳结构的拓扑性质的研究还较少。本论文对三维碳、硼材料的拓扑性质展开研究,提出新结构、发现新的拓扑元素和拓扑现象。本论文共六章。第一章,我们介绍了碳、硼材料的研究和发展,特别值得注意的是最近两个实验上已经制备的三维碳晶体结构。另外,也总结了拓扑半金属的研究和发展。第二章我们介绍了第一性原理理论及计算方法。第三章我们研究了最近发现的碳蜂窝(CHCs)结构的电子和声子输运性质。结果表明,这些碳网络是多孔的三重简并点拓扑金属,沿着碳蜂窝轴的方向有两种相互独立的电子输运通道。在这些碳网络中声子的输运也具有很强的各向异性。计算结果还表明这些多孔的碳网络具有很高的气体原子和分子存储容量,这与实验结果是一致的。第四章我们提出了拓扑节点环半金属的分类,并以碳网络为例,通过能带色散的斜率说明这些拓扑节点环的完整分类可以在碳结构中存在。第一类节点环是由斜率符号相反的两条能带相交形成的第一类节点组成；第二类节点环是由斜率符号相同的两条能带相交形成的第二类节点组成;第三类节点环是在一个方向上是由第一类节点组成,而在与它垂直的方向上是由第二类节点组成。这些拓扑相在碳网络中可以通过应力作用相互转化。第五章提出了一个新的三维硼结构3D-α'硼,鉴定为拓扑节点链半金属。在动量空间中,六个节点线和环相互接触形成受镜面、滑移面和时空反演对称性保护的新颖纺锤状节点链。各向异性的节点链导致各种“鼓膜”表面态。另外,3D-α'硼呈现出很好的稳定性,因为它是由高稳定的α'硼薄片堆垛形成的。第六章是我们对前面研究工作的总结,并对将来的研究工作进行了展望。
【学位授予单位】：湘潭大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TB30
【图文】：

富勒烯,薄片,激光气化,碳团簇

１．２．１零维：碳、硼团簇和富勒烯逡逑碳团簇通常由激光气化石墨烯，再经过退火处理形成，这样会产生大量逡逑不同尺寸的团簇结构（如图１．１）。它是由几个到几千个原子组成相对稳定的微观逡逑和亚微观聚集体，空间尺寸一般为几个埃到几百埃。逡逑髻逡逑图１．１邋Ｃ？团簇的结构。（ａ）邋Ｃ２４—个五边形的ｂｏｗｌ，邋Ｏ，，笼，Ｚ）６富勒稀，环和薄片，（ｂ）逡逑Ｃ２６富勒烯和一个五边形薄片，（ｃ）邋Ｃ２８薄片和富勒稀，（ｄ）邋Ｃ３２富勒烯。逡逑２逡逑

团簇结构,稳定性,团簇

提出了邋＝邋１１－５５）的基态构造［２２］，同时也逐渐的扩展到尺寸为几千个原子。逡逑在团簇结构形状上，有笼状形，平面形，近平面形，圆环形等，其中最著名的笼逡逑状团簇为实验上制备的Ｃ６０和Ｃ７０富勒烯［２３，２４Ｕ图１．２），目前有很多制备富勒烯逡逑的方法，包括电弧法、热蒸发法、燃烧法和化学气相沉积法等。逡逑，懌逡逑图１．２邋（ａ）邋ＣＭ和（ｂ）邋Ｃ７Ｑ富勒烯。逡逑另一方面’相对于碳，硼团簇ａ，—般ｎ探宄的范围是３到１００个原子，去逡逑鉴定团簇全局能量最低是研宄硼团簇至关重要的一步。然而随着ｎ的增大，由于逡逑丰富多样的Ｂ－Ｂ键可能会产生随着指数增长的同分异构体（如图１．３）。逡逑⑷邋Ｅ邋ｈ邋（ｅＶ／ａｔｏｍ）逦＃Ｐ邋（ｂ）逡逑５’４逦＾：：：：：：逦ｐｌａｎｅ邋ｏｒ邋ｑｕａｓｉ－ｐｌａｎｅ逡逑５２；逦－ｃａ９ｅ逡逑，0：逦ｗｙｃ逡逑４．８－邋Ｐ逡逑４邋＾逡逑４４逦逦１逦１逦１逦１逦１逦１逦１逡逑１０逦２０逦３０逦４０逦９逡逑图１．３硼团簇结构以及稳定性。（ａ）邋Ｂｎ邋（ｎ邋＝邋７－４０）团簇在电中性态下每个原子的形逡逑成能，计算采用的是ＰＢＥ０泛函。黑色星星代表准平面或者双管式结构（＾邋＝邋２０），其逡逑中红色圈代表笼状结构（ｎ邋＝邋３０，３６，４０邋）。（ｂ）从平面或者准平面到类似笼状再到逡逑ｃｏｒｅ－ｓｈｅ邋１１结构展示出硼团簇依赖尺寸构造的演化［２Ｇ］。逡逑３逡逑

原子结构,石墨

功制备［４Ｍ５］，理论计算表明由硼元素以及金属硼化物制成的一维纳米结构比碳纳逡逑米管以及其他相关的一维体系具有更好的机械强度，热稳定性以及导电性［４６＇４７］。逡逑此外，硼纳米线的电子性质和直径可以得到实验的合成和控制［４８］。因此，无论是逡逑导体还是半导体元件都可以从硼纳米线中获得纳米电子器件。这些有利的前景激逡逑发了人们研究硼纳米结构的兴趣。逡逑２．３二维：碳、硼薄膜同素异形体逡逑很长一段时间人们认为二维（２Ｄ）晶格在自然界中是不稳定的。直到２００４逡逑年，通过透明胶带从石墨中剥离出一个碳原子厚度的六角蜂窝晶格－石墨烯［３］打逡逑破了这个不可实现的预言。石墨烯的发现，由于它在基础和应用上具有广阔的前逡逑景吸引了科学界极大的研究兴趣。特别是石墨烯的狄拉克锥结构呈现出无质量的逡逑狄拉克费米子，导致半整数［４９］、分数［５（）］和不规则［５１］量子霍尔效应，超高的载流逡逑子迁移率，热导率，力学强度和比表面积以及许多其他的新颖现象和性质。石墨逡逑烯的极大发展也为发现更多的二维材料开启了研宄的大门。逡逑

【相似文献】