热力学稳定的二维碳结构的筛选与设计
发布时间：2021-08-18 15:07
二维材料是厚度仅为单层或多层原子的晶体材料。在这种材料中,电子可以自由地在二维平面中移动,而在第三方向上的运动受限制。二维材料首次发现于2004年,Manchester大学的Geim小组成功分离单原子层厚度的石墨材料——石墨烯（graphene）。自发现石墨烯以来,二维层状碳材料就一直是材料研究的核心焦点。除石墨烯外,研究者们还陆续研发了几种类石墨烯的同素异形体;迄今为止,其中有几种已经能够在实验中合成,部分已用于光伏,半导体,电极和生物监测等应用中。因此,对碳的二维同素异形体的搜索与研发具有非常积极的工业意义与物理意义。但目前尚缺乏对新型的二维碳材料理论性的系统探索。本论文在“材料基因组”的框架下,对二维碳的同素异形体整个构型空间进行理论性、系统性地探索,寻找热力学稳定的二维碳材料,并丰富相关的计算材料数据库。新材料结构预测的传统方法或基于数据库的数据挖掘,或基于全局优化,而这些方法都有其各自的局限性。本文使用了一种新方法—空间采样方法,评估理论提出的平面碳同素异形体实验实现的可能性。同素异形体在构型空间中的出现频率（frequency of occurrence）可衡量其在实验中的...
【文章来源】：西北大学陕西省 211工程院校
【文章页数】：67 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
制作石墨烯（A）通过透明胶带技术在氧化的硅晶片上制备的石墨烯晶体
西北大学硕士学位论文41.407和1.447，以及四种不同的键角。biphenylene在5000K的高温下依旧是稳定的[15]。图1.2二维碳同素异形体的晶格结构[7]。(A)graphenylene;(B)penta-graphene;(C)twingrapene;(D)graphyne;(E)phagraphene;(F)biphenylene;(G)H18carbon1.4构型空间构型空间即晶体的结构空间，在上述的1.3节中，每一个同素异形体都可以看作是碳构型空间中的一个数据点。构型空间的每个坐标轴对应晶体结构中的一个变量，这些变量包括原子位置和晶格矢量。从结构-性质关系的角度来解释，是因为材料的性质取决于其结构，因此，结构的预测是计算材料发现的关键[16]。新型计算工具的飞速发展使得越来越复杂的材料的结构被预测[17-19]。主流的计算方法有两种：一种是基于现有知识和晶体结构数据库的数据挖掘；另一种是基于强大的计算机搜索算法，能够在没有经验的情况下进行结构预测。与数据驱动方法相比，发现全新结构的可能性是结构预测的关键优势之一;而另一方面，即使数据挖掘不精确，也能以合理的计算成本提供合理的解决
第一章绪论5方案。下面是材料结构预测的主要构成元素：（1）势能面（potentialenergysurface）与吸引盆（basinofattraction）。这是与本论文最为相关的概念，本论文即通过估计吸引盆的大小来推断结构的可合成性。势能面示意图如图1.3所示。势能面上的每一个点都对应某个随机生成的结构的能量，密度泛函理论方法的结构优化即通过势能面上最快下降的路径达到局部最小值。某局部最小值“占据”是指该结构在势能面中的能量最低点，并且在其吸引盆中所有可能的原子构型都将落入该最小值。通过估算吸引盆地的超体积大小，可以获得某结构出现频率。现代超级计算机的计算能力，可以同时使势能面中的数千个结构同时优化到局部最小值[20]。成功找到低能量结构的概率取决于吸引盆形状和大小以及搜索的细节[21-24]。通过增加条件可以提高搜索效率。例如，可以使用现有结构、化学和物理信息的知识来确保搜索以一组化学上合理的结构开始，同时保持大的随机性。势能面的信息能够从能量图直接获得[25]。Stevanovic[24]将与每个局部极小值相关的相空间的体积与相应结构的合成可能性联系起来。图1.3势能面示意图。箭头所示方向为能量。一般感兴趣的属性的全局最小值（最稳定相）和局部最小值（亚稳态相）。图片来源于Internet，网址https://sites.google.com/site/janroshijakubik/my-research/molecular-modelling/potential-energy-surface.
【参考文献】：
期刊论文
[1]Superconducting Single-Layer T-Graphene and Novel Synthesis Routes[J]. 顾琴燕,邢定钰,孙建. Chinese Physics Letters. 2019(09)
[2]MatCloud, a high-throughput computational materials infrastructure: Present, future visions, and challenges[J]. 杨小渝,王宗国,赵旭山,宋健龙,虞超,周嘉欣,李凯. Chinese Physics B. 2018(11)
本文编号：3350118
【文章来源】：西北大学陕西省 211工程院校
【文章页数】：67 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
制作石墨烯（A）通过透明胶带技术在氧化的硅晶片上制备的石墨烯晶体
西北大学硕士学位论文41.407和1.447，以及四种不同的键角。biphenylene在5000K的高温下依旧是稳定的[15]。图1.2二维碳同素异形体的晶格结构[7]。(A)graphenylene;(B)penta-graphene;(C)twingrapene;(D)graphyne;(E)phagraphene;(F)biphenylene;(G)H18carbon1.4构型空间构型空间即晶体的结构空间，在上述的1.3节中，每一个同素异形体都可以看作是碳构型空间中的一个数据点。构型空间的每个坐标轴对应晶体结构中的一个变量，这些变量包括原子位置和晶格矢量。从结构-性质关系的角度来解释，是因为材料的性质取决于其结构，因此，结构的预测是计算材料发现的关键[16]。新型计算工具的飞速发展使得越来越复杂的材料的结构被预测[17-19]。主流的计算方法有两种：一种是基于现有知识和晶体结构数据库的数据挖掘；另一种是基于强大的计算机搜索算法，能够在没有经验的情况下进行结构预测。与数据驱动方法相比，发现全新结构的可能性是结构预测的关键优势之一;而另一方面，即使数据挖掘不精确，也能以合理的计算成本提供合理的解决
第一章绪论5方案。下面是材料结构预测的主要构成元素：（1）势能面（potentialenergysurface）与吸引盆（basinofattraction）。这是与本论文最为相关的概念，本论文即通过估计吸引盆的大小来推断结构的可合成性。势能面示意图如图1.3所示。势能面上的每一个点都对应某个随机生成的结构的能量，密度泛函理论方法的结构优化即通过势能面上最快下降的路径达到局部最小值。某局部最小值“占据”是指该结构在势能面中的能量最低点，并且在其吸引盆中所有可能的原子构型都将落入该最小值。通过估算吸引盆地的超体积大小，可以获得某结构出现频率。现代超级计算机的计算能力，可以同时使势能面中的数千个结构同时优化到局部最小值[20]。成功找到低能量结构的概率取决于吸引盆形状和大小以及搜索的细节[21-24]。通过增加条件可以提高搜索效率。例如，可以使用现有结构、化学和物理信息的知识来确保搜索以一组化学上合理的结构开始，同时保持大的随机性。势能面的信息能够从能量图直接获得[25]。Stevanovic[24]将与每个局部极小值相关的相空间的体积与相应结构的合成可能性联系起来。图1.3势能面示意图。箭头所示方向为能量。一般感兴趣的属性的全局最小值（最稳定相）和局部最小值（亚稳态相）。图片来源于Internet，网址https://sites.google.com/site/janroshijakubik/my-research/molecular-modelling/potential-energy-surface.
【参考文献】：
期刊论文
[1]Superconducting Single-Layer T-Graphene and Novel Synthesis Routes[J]. 顾琴燕,邢定钰,孙建. Chinese Physics Letters. 2019(09)
[2]MatCloud, a high-throughput computational materials infrastructure: Present, future visions, and challenges[J]. 杨小渝,王宗国,赵旭山,宋健龙,虞超,周嘉欣,李凯. Chinese Physics B. 2018(11)
本文编号：3350118
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