硼烯化学合成进展与展望

硼烯是由硼原子构成的单原子层厚的二维材料,具有丰富的化学和物理性质。本文集中介绍近年来硼烯在合成方面的理论与实验研究进展,重点分析基底、生长温度、生长前驱物等因素对硼成核选择性的影响,探讨能够促进硼烯成核的潜在方法。进一步将分析硼烯生长机制及理论研究方法,以此展望通过在基底上化学气相沉积合成硼烯的可能途径。本文旨在促进大面积、高质量硼烯样品的制备以推动硼烯的实际应用。

二维材料曲面生长:力学与化学的邂逅

理解二维材料在曲面上的生长形态和机制具有重要的理论和应用价值,但现有关于二维材料曲面生长的力学行为及形貌演化规律的研究极为缺乏。二维材料曲面生长会导致薄膜变形及其相关的应力/应变。这类应力可引发二维材料的滑移、屈曲、褶皱、断裂和离面运动等二次力学行为,并直接与生长反应耦合,进而改变材料的生长过程。与化学能和表面扩散主导的平面生长不同,曲面生长二维材料的形貌受曲面几何形状和材料力学行为的共同影响,会产生更为复杂多样的生长形貌。通过总结国际上相关研究进展,剖析了模拟曲面生长二维材料所面临的科学问题,并论述了如何结合原子模拟(如分子动力学和蒙特卡罗模拟)与唯象理论(如相场方法)开展多尺度计算研究,再辅以实验揭示二维材料曲面生长规律。

多层六方氮化硼中铁电调控的力电耦合

近期在范德华材料中发现的滑移铁电性因其具备在原子厚度上实现微型功能器件的潜力而引起了广泛的兴趣.然而,由于元件层间的范德华耦合相对较弱,导致固有的电极化强度较低,在很大程度上制约了该性质的实际应用.我们以多层六方氮化硼(h-BN)为例,采用从头算方法,发现施加垂直压力可以显著增强滑移铁电性.在4.63 GPa的中等压力下,双层和三层h-BN的极化强度分别提高了125.58%和104.79%.此外,当弯曲多层h-BN材料时,铁电可以与挠曲电进一步耦合,从而产生更大的电极化.值得注意的是,这一具有的压力增强电极化效应的铁电性可以在无需外加电场的情况下调节弯曲双层h-BN的带隙.这些结果凸显了滑移铁电性可作为一种新的自由度来调控范德华材料中的力电耦合.

非扭转双层石墨烯中异质应变诱导的平带

双层石墨烯中扭转诱导的晶格失配会导致摩尔纹图案并产生具有强关联效应的平带,但这需要复杂的过程来精确控制扭转角度,这里,通过分别沿两个不同的扶手椅方向单轴拉伸上下层石墨烯,我们提出了一种不同的方法来生成双层石墨烯中的六边形摩尔纹.两个石墨烯层之间的变形导致了等效于扭角石墨烯中的错位角,异质应变诱导的摩尔纹在费米能级附近产生平带,表现出和扭角双层石墨烯等效的电子性质.我们证明2.1%异质应变下的电子平带等价于1.05°第一魔角下的能带.然而,由于单轴应变,狄拉克点相对于K点轻微偏移,将平带分成两个相隔18meV的分别位于费米能级上方和下方的范霍夫奇点峰.我们的研究结果提出了一种控制自然双层石墨烯电子强关联性的可能方法.

应变扭转双层石墨烯

扭转双层石墨烯是由两层石墨烯进行简单旋转再堆叠形成的二维莫尔超晶格材料,具有一系列超晶格依赖的奇特物理性质,如超导态、磁性态、局域态等,是近年来凝聚态物理和材料等研究领域最令人振奋的进展之一.然而,石墨烯莫尔超晶格材料与器件的研究依然面临着诸多挑战,其中最大的困扰在于扭转角和应变的无序性,严重影响了材料和器件的目标性能.围绕扭转双层石墨烯中的应变,本文总结了近年来相关理论和实验研究的进展,重点介绍了内在应变的起源和存在形式、莫尔超晶格结构的公度-非公度相转变、层间结构弛豫以及外加应变对材料性能的影响和调控.本文进一步讨论了该领域现存的问题,展望了未来的发展趋势,旨在促进应变扭转双层石墨烯的基础研究与实际应用.

轴向磁场对碳纳米管电子性质的影响

用紧束缚法研究了单壁碳纳米管在轴向磁场下费米能级附近电子性质的变化规律.研究发现:能隙随轴向磁场变化的快慢及磁致能隙峰值都与碳纳米管直径有着紧密联系;对于相同直径的碳纳米管,金属性管的磁致能隙峰值最大.具体计算了锯齿型碳纳米管费米能级附近电子态密度随轴向磁场的变化关系,发现所有碳纳米管的电子态密度和能隙变化都体现出周期性.磁场使得碳纳米管发生绝缘体-金属周期性相转变的根本原因是由于在磁场的作用下范霍夫奇异点出现分裂-移动-融合的周期性变化.

二维材料理论:材之魂,料之魄

自2004年石墨烯问世以来,单个或数个原子厚度的二维材料迅速赢得了学术界的广泛关注.过去十几年里,许多"明星"二维材料陆续涌现,包括具有狄拉克色散关系的石墨烯、宽禁带的氮化硼(也称白石墨烯)、具有直接带隙和旋光选择性的二硫化钼、具有各向异性和高载流子迁移率的黑磷、具有丰富多态性的金属性硼烯,以及一系列二维磁性与二维拓扑材料等.

水伏科学与技术的召唤

水覆盖了约71%的地球表面,占人体重量约70%,在细胞里的含量可达80%.水与能量相生,维持着大至地球系统的能量循环,小至生物体的温度平衡,是天然的吸能器、储能器、换能器和传能器.水吸收了太阳辐射到达地表能量的近70%,在地球上动态吸纳释放能量的年平均功率高达60万亿千瓦（10^15瓦）,比全人类目前年平均能量消耗功率高3个数量级.

半导体薄膜表面粘附的非对称性偏压调控

电调控表面粘附对微机电系统是至关重要的,同时相对于外加电压极性常具有对称性.本文以二硫化钼为研究对象,以石墨烯、氮化硼和n型硅为参照组展示半导体薄膜表面的非对称粘附行为.研究主要通过导电原子力显微镜和理论模拟来揭示金探针与金基底上二硫化钼之间的偏压调控粘附力的行为.结果反映二硫化钼表面偏压对粘附的调控能力远大于参照组材料,这种非对称行为主要来源于半导体薄膜与背电极之间形成的肖特基结中的内建电场.

在石墨烯上拖动离子液滴发电的机理

最近的实验表明,在聚合物支撑的石墨烯上移动水滴可以在石墨烯中产生电压.为了揭示基底、石墨烯和离子水在发电中的作用,我们对水/石墨烯/基底界面进行了多尺度的分析和模拟,发现被基底上表面偶极吸引到石墨烯表面的离子会驱动石墨烯中的电荷重新分布,从而在水/石墨烯/基底界面处形成由石墨烯中的镜像电荷、吸附在石墨烯表面的离子以及溶液中的反离子组成的三电层结构.当水滴在石墨烯表面移动时,动态形成的三电层前端动边界驱动着石墨烯中的电荷形成电流.采用Langmuir吸附理论,结合第一性原理计算,确定了三电层中的离子浓度,并且估计了每个被吸附的离子可在石墨烯中拖动的电荷量.由此,得到了产生的电流与离子浓度、水滴移动速率、石墨烯厚度和基底上的偶极密度、偶极矩之间的关系式,且与实验测量结果吻合.该研究结果表明,控制基底上的表面偶极(密度和大小)可优化水伏发电器件的性能并促进其实际应用.