南京郵電大學劉春生教授Nanoscale:石墨烯家族新成員-石墨醚

引言

石墨烯由于具有獨特的物理化學性質受到科研工作者的廣泛關注。但石墨烯的零帶隙特性會導致較大的截止電流，限制了其在半導體電子器件中的大規模應用。

在石墨烯中打開帶隙的方法包括：量子限制、對稱性破缺、表面修飾等等。其中表面修飾方法可以打開可觀的能隙，但原子或官能團會破壞石墨烯中的離域π鍵，從而降低了石墨烯的力學和電學性能。除石墨烯之外，石墨烷、石墨炔、石墨二炔等一系列類石墨烯材料被發現，然而這些材料由于缺乏完美的π共軛表現出較低的面內剛度或者載流子遷移率。因此，設計具有寬帶隙及良好力、電性質的類石墨烯材料非常有必要。

成果簡介

綜上所述，石墨烯的π共軛結構被破壞，導致功能化石墨烯的導電性及力學性能顯著降低。近日，南京郵電大學劉春生教授課題組理論研究了超共軛效應對二維材料的能帶、力學及電學性質的影響。借鑒“自下而上”組裝石墨烯的方法，作者將具有超共軛效應的甲醚分子組裝成新型的二維碳氧化合物，并命名為“石墨醚（graphether）”。石墨醚具有優異的動力學和熱力學穩定性，是直接帶隙寬禁帶半導體（能隙2.39 eV），具有良好的紫外光區響應性。此外，其在-10%―10%的單軸或雙軸應變下仍可保持直接帶隙特征。由于超共軛效應，石墨醚armchair方向的面內剛度（459.8 N m^-1）超過了石墨烯（~342 N m^-1）。相比于氫化、氟化石墨烯較低的載流子遷移率（10¹-10² cm² V^-1 s^-1），石墨醚的電子遷移率在armchair和zigzag兩個方向均達到了10³ cm² V^-1 s^-1。上述優越性質使石墨醚材料有望在納電子和光伏器件中得到應用。

圖文導讀

Figure 1. 石墨醚的幾何結構及聲子譜

(a) 石墨醚2x2超胞的三種視圖

(b) 石墨醚的聲子譜曲線

Figure 2. 第一性原理分子動力學模擬

Figure 3. 能帶結構

(a) 石墨醚能帶及態密度

(b) 價帶頂、導帶底電荷分布

Figure 4. 甲醚分子在Pt(100)上的吸附、脫氫、擴散和結合

(a) 甲醚在Pt(100)表面的三種吸附構型及對應的吸附能

(b)- (d) 甲醚發生脫氫反應時的初態、過渡態、末態構型

(e)?? 脫氫過程的能量變化曲線

(f)- (h)?? 脫氫后的甲醚擴散一個晶格周期的初態、過渡態、末態構型

(i)??? 擴散過程的能量變化曲線

(j)- (n) 兩個脫氫后的甲醚結合反應的初態、過渡態、中間態、末態等構型

(o)?? 結合過程的能量變化曲線

總結

繼石墨烯、石墨烷、石墨炔之后,作者理論預測了一種新的石墨烯家族成員：石墨醚。石墨醚不僅是直接帶隙寬禁帶半導體，而且還具有高的面內剛度和電子遷移率。此外，Pt(100)被證明是一種潛在的自底向上合成石墨醚的襯底。這些結果有望為設計及制備具有超共軛效應的類石墨烯材料提供新的思路，并推動它們在下一代電子和光電器件方面的創新應用。

原文鏈接

Graphether: a two-dimensional oxocarbon as a direct wide-band-gap semiconductor with high mechanical and electrical performances, Nanoscale, 2019, DOI: 10.1039/C9NR08071F.

本文由南京郵電大學劉春生教授課題組供稿。

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