石墨烯具有優(yōu)異的機械、光學(xué)、電學(xué)特性,在能源、材料、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域頗具應(yīng)用前景。人們發(fā)現(xiàn)石墨烯電子能帶中的價帶和導(dǎo)帶在費米能級處相交,呈現(xiàn)出能量-動量的線性色散關(guān)系,其低能激發(fā)表現(xiàn)出無質(zhì)量的狄拉克費米子的行為,滿足相對論狄拉克方程,該特征表現(xiàn)為狄拉克錐。石墨烯中狄拉克錐分布在其布里淵區(qū)的六個角上。石墨烯因其能帶結(jié)構(gòu)中狄拉克錐的存在,表現(xiàn)出許多優(yōu)異的性質(zhì),比如,高載流子遷移率、良好的熱傳導(dǎo)性以及量子霍爾效應(yīng)等等。狄拉克錐為石墨烯帶來的優(yōu)異性質(zhì)不斷激勵著人們利用理論預(yù)測和實驗合成的方法尋找更多的狄拉克材料。目前,己有較多具有狄拉克性質(zhì)的材料和晶格被提出,如六角晶格、Ruby晶格、Kagome晶格和Lieb晶格等等。從這些晶格結(jié)構(gòu)來看,晶格都保持著鏡像對稱性,但是鏡像對稱性對狄拉克材料的必要性還未被證明,若在鏡像對稱性破缺的晶格中有狄拉克錐存在,這將為設(shè)計狄拉克材料提供新思路。提出具有狄拉克性質(zhì)的晶格固然重要,實體材料是使具有優(yōu)異性質(zhì)的晶格得以在實際中應(yīng)用的載體,因此尋找具有上述晶格結(jié)構(gòu)的實體材料更為關(guān)鍵。常見的狄拉克材料,它們的價帶和導(dǎo)帶在費米能級附近相交于一點形成狄拉克點。一種較為罕見的狄拉克半金屬材料,它們的價帶和導(dǎo)帶在費米能級附近相交形成一個閉合的圓環(huán),稱為狄拉克Node-Line(Dirac Node-Line,DNL)半金屬。目前,二維DNL材料還很稀少,且多數(shù)被報道的材料中的DNL態(tài)受鏡像對稱性保護并且要求忽略自旋軌道耦合效應(yīng)。因此,尋找能夠抵抗自旋軌道耦合效應(yīng)且擁有穩(wěn)定DNL態(tài)的材料,是目前人們比較關(guān)注的問題。本文運用基于密度泛函理論的第一性原理計算,結(jié)合緊束縛模型,理論預(yù)測具有狄拉克性質(zhì)的材料和晶格,為理論設(shè)計和實驗合成狄拉克材料提供理論指導(dǎo)。主要研究內(nèi)容和結(jié)果如下:利用單軌道緊束縛模型,在鏡像對稱性破缺的STT(snub trihexagonal tiling lattice,STT)晶格中預(yù)言了狄拉克錐的存在。自旋軌道相互作用使狄拉克錐打開帶隙,表現(xiàn)出拓撲非平凡性。在STT晶格兩種不同邊界(zigzag和armchair)的納米帶中也有穩(wěn)定的邊界態(tài)存在。一個模型的提出,往往需要有實體材料作為載體,以實現(xiàn)晶格本身的優(yōu)異性質(zhì)。第一性原理計算結(jié)果表明Be3C4是有望實現(xiàn)STT晶格的實體材料。聲子譜證明了Be3C4單層的動力學(xué)穩(wěn)定性;通過分子動力學(xué)模擬證明Be3C4單層在室溫下的動力學(xué)穩(wěn)定性和獨立的彈性常數(shù)滿足力學(xué)穩(wěn)定性判據(jù)表明Be3C4單層的機械穩(wěn)定性。通過第一性原理計算和緊束縛模型計算其能帶結(jié)構(gòu),發(fā)現(xiàn)Be3C4單層能帶中價帶和導(dǎo)帶呈現(xiàn)出線性色散關(guān)系,表現(xiàn)為狄拉克錐的特征。同時,Be3C4單層的費米速度高于石墨烯的費米速度。STT晶格的提出排除了鏡像對稱性對狄拉克材料的必要性,拓寬了狄拉克材料的范圍。狄拉克Node-Line(Dirac Node-Line,DNL)半金屬是一種新型量子態(tài)。目前,二維DNL半金屬材料還很稀少,且多數(shù)被報道的二維DNL材料中的半金屬態(tài)在自旋軌道耦合效應(yīng)下都會打開微小的帶隙。我們利用緊束縛模型提出s+pz和Px,y+Pz軌道的Lieb晶格模型,該模型中的DNL態(tài)是由于具有不同對稱性的能帶反轉(zhuǎn)引起的,它可以抵抗自旋軌道耦合效應(yīng)而穩(wěn)定存在。在此基礎(chǔ)上,我們通過第一性原理計算提出了兩種滿足s+pz和Pxy+z軌道的Lieb模型的實體材料——BeH2和Be2C。第一性原理計算結(jié)果表明,它們的價帶和導(dǎo)帶在費米能級處相交,并呈現(xiàn)出閉合圓環(huán)形狀,表現(xiàn)為DNL半金屬態(tài)。此外,它們的DNL半金屬態(tài)能夠抵抗自旋軌道耦合效應(yīng)而穩(wěn)定存在。它們具有較高的費米速度,幾乎是石墨烯費米速度的四倍。此外,Be2C和BeH2具有非零的拓撲不變量,并且伴隨著邊界態(tài)的出現(xiàn)。Lieb模型的提出為設(shè)計二維DNL半金屬提供了新方向。基于第一性原理計算,理論預(yù)測了一種新的碳同素異形體,由sp-和sp2-兩種雜化方式碳原子構(gòu)成,命名為超級石墨炔(super-graphyne)。超級石墨炔的原胞中包含16個原子,其中兩種雜化方式的碳原子的比例為:sp-:sp2-=3:1,這一比例是其他炔類結(jié)構(gòu)中所沒有的。聲子譜、分子動力學(xué)模擬和力學(xué)穩(wěn)定性判據(jù)都證明了超級石墨炔的穩(wěn)定性。通過對超級石墨炔電子能帶結(jié)構(gòu)的分析,發(fā)現(xiàn)其電子性質(zhì)在倒格空間具有高度的各向異性,呈現(xiàn)出Node-Line狄拉克錐,即被認為具有Node-Line半金屬性質(zhì)。沿著倒格空間中F-X的方向,價帶與導(dǎo)帶相交于X點,呈現(xiàn)出狄拉克錐形狀的特征,且具有比石墨烯還高的費米速度。然而,沿著倒格空間中X-P的方向,能帶幾乎不存在色散。具有zigzag邊界超級石墨炔的薄膜因為邊界上sp2-雜化的碳原子上有未成對的電子存在,而產(chǎn)生自旋極化現(xiàn)象,位于邊界上的磁矩相互耦合,表現(xiàn)出反鐵磁基態(tài),并且保持了體超級石墨炔的半金屬性質(zhì)。
【學(xué)位單位】：山東大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類】：TB303
【部分圖文】：

表現(xiàn)出能量－動量的線性色散關(guān)系，這種能帶特征被稱為狄拉克錐（Ｄｉｒａｃ??Ｃｏｎｅ）。石墨稀的價帶與導(dǎo)帶的交點稱為狄拉克點（Ｄｉｒａｃｐｏｉｎｔｓ），位于其布里淵??區(qū)的六個頂點上，如圖１．１所示，這種能帶結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出半金屬的（ｓｅｍｉ－ｍｅｔａｌ）性??質(zhì)。??圖１．１石墨烯的布里淵區(qū)和電子能帶結(jié)構(gòu)示意圖［４］。??石墨烯擁有眾多新奇的物理現(xiàn)象和電子性質(zhì)與其能帶中狄拉克錐密切相關(guān)。??比如，當施加均勻的垂直磁場時，石墨稀中會形成特定的朗道（Ｌａｎｄａｕ）能級［５，??６］，這些朗道能級可以用來實現(xiàn)二維體系的量子自旋霍爾效應(yīng)（Ｑｕａｎｔｕｍ?Ｓｐｉｎ?Ｈａｌｌ??Ｅｆｆｅｃｔｓ，?ＱＳＨ?Ｅｆｆｅｃｔｓ）。與其它二維材料不同的是，石墨稀表現(xiàn)出半整數(shù)量子自旋??霍爾效應(yīng)［５，?７］。在懸置石墨烯［８，?９］和石墨烯／六方氮化硼（將石墨烯放在六方氮??１??

表現(xiàn)出能量－動量的線性色散關(guān)系，這種能帶特征被稱為狄拉克錐（Ｄｉｒａｃ??Ｃｏｎｅ）。石墨稀的價帶與導(dǎo)帶的交點稱為狄拉克點（Ｄｉｒａｃｐｏｉｎｔｓ），位于其布里淵??區(qū)的六個頂點上，如圖１．１所示，這種能帶結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出半金屬的（ｓｅｍｉ－ｍｅｔａｌ）性??質(zhì)。??圖１．１石墨烯的布里淵區(qū)和電子能帶結(jié)構(gòu)示意圖［４］。??石墨烯擁有眾多新奇的物理現(xiàn)象和電子性質(zhì)與其能帶中狄拉克錐密切相關(guān)。??比如，當施加均勻的垂直磁場時，石墨稀中會形成特定的朗道（Ｌａｎｄａｕ）能級［５，??６］，這些朗道能級可以用來實現(xiàn)二維體系的量子自旋霍爾效應(yīng)（Ｑｕａｎｔｕｍ?Ｓｐｉｎ?Ｈａｌｌ??Ｅｆｆｅｃｔｓ，?ＱＳＨ?Ｅｆｆｅｃｔｓ）。與其它二維材料不同的是，石墨稀表現(xiàn)出半整數(shù)量子自旋??霍爾效應(yīng)［５，?７］。在懸置石墨烯［８，?９］和石墨烯／六方氮化硼（將石墨烯放在六方氮??１??

出現(xiàn)在其他元素的單質(zhì)中。元素周期表中，與碳元素性質(zhì)接近的元素就成為人們??新的研宄對象，比如，與碳同主族的桂、鍺。２００９年，Ｃａｈａｎｇｉｒｏｖ等人理論預(yù)測??了具有低褶皺、六角蜂巢晶格的娃烯（Ｓｉｌｉｃｅｎｅ）和鍺煉（Ｇｅｒｍａｎｅｎｅ），如圖１．４??（ａ）和（ｂ）所示，它們的電荷載流子同樣表現(xiàn)為無質(zhì)量的費米子，因為它們的??７：能帶和Ｙ能帶在費米能級處線性交叉，呈現(xiàn)狄拉克錐特征［２０］。它們具有與石墨??烯同量級的載流子遷移率［２２，２３］和費米速度［２０］。其中，在硅烯中預(yù)測存在一種??新的量子態(tài)——谷極化量子反�；魻栃�(yīng)，它可以通過調(diào)整Ｒａｓｈｂａ自旋軌道耦??合（ＳＯＣ）效應(yīng)得到［２４］。一種具有與石墨烯相似的六角蜂巢狀晶格結(jié)構(gòu)的過渡??金屬碳化物被提出，即通過在石墨稀的Ｃ－Ｃ鍵之間插入金屬原子，組成一個穩(wěn)定??的線性結(jié)構(gòu)：Ｃ＝Ｍ＝Ｃ，構(gòu)成化學(xué)配比Ｍ３Ｃ２?（Ｍ＝Ｚｎ，Ｃｄ，Ｈｇ）的結(jié)構(gòu)，如圖１．４??（ｃ）所示，理論計算結(jié)果證明是一種新的狄拉克材料，同樣具有與石墨烯相同??量級的費米速度。非零的拓撲不變量也證明Ｍ３Ｃ２?（Ｍ＝Ｚｎ

本文編號：2861445