南京邮电大学刘春生教授Nanoscale:石墨烯家族新成员-石墨醚

引言

石墨烯由于具有独特的物理化学性质受到科研工作者的广泛关注。但石墨烯的零带隙特性会导致较大的截止电流，限制了其在半导体电子器件中的大规模应用。

在石墨烯中打开带隙的方法包括：量子限制、对称性破缺、表面修饰等等。其中表面修饰方法可以打开可观的能隙，但原子或官能团会破坏石墨烯中的离域π键，从而降低了石墨烯的力学和电学性能。除石墨烯之外，石墨烷、石墨炔、石墨二炔等一系列类石墨烯材料被发现，然而这些材料由于缺乏完美的π共轭表现出较低的面内刚度或者载流子迁移率。因此，设计具有宽带隙及良好力、电性质的类石墨烯材料非常有必要。

成果简介

综上所述，石墨烯的π共轭结构被破坏，导致功能化石墨烯的导电性及力学性能显著降低。近日，南京邮电大学刘春生教授课题组理论研究了超共轭效应对二维材料的能带、力学及电学性质的影响。借鉴“自下而上”组装石墨烯的方法，作者将具有超共轭效应的甲醚分子组装成新型的二维碳氧化合物，并命名为“石墨醚（graphether）”。石墨醚具有优异的动力学和热力学稳定性，是直接带隙宽禁带半导体（能隙2.39 eV），具有良好的紫外光区响应性。此外，其在-10%―10%的单轴或双轴应变下仍可保持直接带隙特征。由于超共轭效应，石墨醚armchair方向的面内刚度（459.8 N m^-1）超过了石墨烯（~342 N m^-1）。相比于氢化、氟化石墨烯较低的载流子迁移率（10¹-10² cm² V^-1 s^-1），石墨醚的电子迁移率在armchair和zigzag两个方向均达到了10³ cm² V^-1 s^-1。上述优越性质使石墨醚材料有望在纳电子和光伏器件中得到应用。

图文导读

Figure 1. 石墨醚的几何结构及声子谱

(a) 石墨醚2x2超胞的三种视图

(b) 石墨醚的声子谱曲线

Figure 2. 第一性原理分子动力学模拟

Figure 3. 能带结构

(a) 石墨醚能带及态密度

(b) 价带顶、导带底电荷分布

Figure 4. 甲醚分子在Pt(100)上的吸附、脱氢、扩散和结合

(a) 甲醚在Pt(100)表面的三种吸附构型及对应的吸附能

(b)- (d) 甲醚发生脱氢反应时的初态、过渡态、末态构型

(e)   脱氢过程的能量变化曲线

(f)- (h)   脱氢后的甲醚扩散一个晶格周期的初态、过渡态、末态构型

(i)    扩散过程的能量变化曲线

(j)- (n) 两个脱氢后的甲醚结合反应的初态、过渡态、中间态、末态等构型

(o)   结合过程的能量变化曲线

总结

继石墨烯、石墨烷、石墨炔之后,作者理论预测了一种新的石墨烯家族成员：石墨醚。石墨醚不仅是直接带隙宽禁带半导体，而且还具有高的面内刚度和电子迁移率。此外，Pt(100)被证明是一种潜在的自底向上合成石墨醚的衬底。这些结果有望为设计及制备具有超共轭效应的类石墨烯材料提供新的思路，并推动它们在下一代电子和光电器件方面的创新应用。

原文链接

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

本文由南京邮电大学刘春生教授课题组供稿。

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