关于举行中国科学院物理研究所王建涛研究员学术报告会的通知

报告题目:三维石墨烯的拓扑半金属特性报 告 人:王建涛研究员(中国科学院物理研究所)主 持 人:赵宇军教授报告时间:2019年4月4日上午10:30报告地点:物理楼二楼213室学术报告厅欢迎广大师生参加必发bf88唯一官网 ,!物理与光电学院2019年3月27日内容摘要:两维石墨烯的能带在费米能级交叉形成一个狄拉克点,呈现半金属特性。最近的理论研究表明这些狄拉克点在三维石墨烯中可形成Node Ring或Node Line,并且当这些Node Ring或Node Line投影到特定的表面上时在费米能级附近形成一个受体态拓扑保护的鼓膜状表面平带。基于第一性原理计算我们先后提出了具有Node Ring的all-sp2正交bco-C16碳、具有Node Line的 sp2-sp3正交oC24碳、以及新的具有node-net的bct-C40碳结构。详细的能带计算表明在bct-C40半金属中,费米能级近旁的能带交叉点在动量空间的多个高对称面上形成Node-Line,进而这些Node-Line在高对称轴上相互交接,形成两个中心反演对称的近似两维的node-net。更为有趣的是这些node-net投影到材料的表面上时,在费米能级上下呈现出一对受体态拓扑保护的鼓膜状表面平带。报告中将基于不同碳键结合详细阐述碳结构的多样性和物性的关联性。报告人简介:王建涛,中国科学院物理研究所研究员,博士生导师。1990年到日本留学,在日本东北大学取得材料物理学士、硕士、博士学位。曾任日本学术振兴会特别研究员。2002年回国后,历任中科院物理所副研究员、科技处副处长、处长等职。兼任中国材料研究学会计算材料学分会理事、中科院《科学观察》编委。2015年起兼任中国科学院大学讲座教授,主讲《固体理论》。近年来致力于碳硅锗表面自组装以及体材料高压相变的理论计算研究。在PRL等刊物上发表学术论文100余篇。

碳碳键的多样性(单键、双键、三键、苯基π键以及各种组合键)赋予了碳结构的多样性和丰富的物性。烷基碳碳单键构成三维金刚石结构,形成透明的具有一个较大带隙的绝缘体;苯基大π键构成稳定的两维石墨烯,呈现半金属特性,能带在布里渊区的K点交叉形成一个狄拉克点;炔基碳碳三键形成一维碳原子链、一个具有2.56eV带隙的半导体。近年来,研究人员致力于三维网络碳晶体结构的研究,基于乙烯型碳碳双键结合,先后提出由三折、四折和六折螺旋碳原子链重构而成的all-sp2三维碳烯晶体结构模型以及BC12、SC48等all-sp3三维碳结构。伴随着结构与物性的深入研究,研究发现由all-sp2或sp2-sp3混合键构成的三维碳烯结构能够呈现拓扑Node-Line半金属特性。2015年,中国科学院物理研究所翁红明等发现,由于受到时间反演和空间反演的保护,一类all-sp2的Mackay-Terrones碳晶体结构呈现Node-Line半金属特性;2016年,物理所王建涛等提出一个新的由苯环直链构成的all-sp2碳结构BCO-C16发现其呈现Node-Line半金属特性,费米能级近旁的能带交叉点在动量空间形成一个连续闭合的圆环(A-型 Nodal Line);湘潭大学陈元平等发现在具有sp2-sp3混合键的碳结构中有横穿整个布里渊区的B-型 Nodal Line。所有这些Node-Line投影到特定的表面上形成一个受体态拓扑保护的表面平带,并局限在Nodal Line的表面投影区域内部或外部,也被称为鼓膜态或鼓面态。

碳元素是自然界中最为广泛分布和存在的元素之一。从简单碳氢化合物中可以得到四种基本碳碳键构型:乙烷碳碳单键、乙烯碳碳双键、乙炔碳碳三键以及苯基大π键结构。苯基大π键结合构成稳定的两维石墨烯,烷基碳碳单键结合构成三维金刚石,炔基碳碳三键结合形成碳原子链。近年来,零维C60富勒烯球、一维碳纳米管以及两维石墨烯的发现和合成更加激发了人们探索新的碳晶体结构的兴趣。但是长期以来有关三维all-sp2碳烯(或石墨烯的三维版本)晶体结构的研究始终未取得满意的进展。2012年以来,科学家致力于通过一维碳炔链的折叠与重构来设计构建三维碳烯晶体结构。基于乙烯型碳碳双键结合,研究人员先后提出了由三折、四折和六折螺旋碳原子链重构而成的三维碳烯晶体结构模型[Sci. Rep. 3, 03077 ; Sci. Rep. 4, 04339 ],发现三折cR6和四折cT8三维晶体结构由反向手性碳链组成、六折Rh6三维碳烯晶体结构由可单一手性碳链组成,分别具有R-3m,I41/amd和R-3m对称性。能带计算表明这些手性碳烯晶体结构呈现半导体特性,带隙分别为2.95 eV,2.41 eV和0.47 eV。最近的实验表明,Rh6及其致密相Rh6-II碳晶体结构可通过研磨含富勒烯球碎片的非晶炭灰来合成【Carbon 102, 288 。

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近日,中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心研究员王建涛、博士聂思敏、研究员翁红明,日本东北大学教授川添良幸,美国内华达大学教授陈长风合作,通过第一性原理计算,提出一个新的三维碳烯晶体结构。该结构具有体心正方对称性,单位晶胞包含40个碳原子,因此简称为BCT-C40。它可以看做是一维碳纳米管的三维重构形式,但能量上比碳纳米管、fcc-C60、IGN-C6以及BCT-C4等结构更稳定[图1]。这个新结构由sp2、sp3键混合而成,其中具有sp2键的苯环构成石墨烯片,每个石墨烯片由具有sp3键的烷基碳链单键结合在一起,形成体心正方结构。因此,BCT-C40碳结构也可以视为是由石墨烯片通过烷基碳碳单键结合而成的“石墨烯的三维版本”或“三维石墨烯”。

基于以上工作,最近,中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家实验室研究员王建涛、副研究员翁红明、博士研究生聂思敏、研究员方忠与日本东北大学教授川添良幸和美国内华达大学教授陈长风合作,通过第一性原理计算,提出了一个新的由六折反向手性碳原子链构成的三维碳烯晶体结构。该结构具有体心正交对称性,单位晶胞含16个碳原子,因此简称为BCO-C16碳。同时其反向手性碳原子链通过乙烯型碳碳双键结合形成苯环直链,因此,BCO-C16碳也可以视为是由苯环直链通过乙烯型碳碳双键结合而成的“石墨烯的三维版本”或“三维石墨烯”。其结构特征与cR6、cT8和Rh6碳类似,包含2/3碳碳单键和1/3碳碳双键。但是由于其特有的共轭反向手性结构,能量上BCO-C16比Rh6更加稳定,与固体C60的能量大致相当。

详细的能带计算表明,这个新的三维石墨烯碳结构呈现nodal-net半金属特性。费米能级近旁的能带交叉点在动量空间的多个高对称面上形成横穿整个布里渊区的B-型Node-Line,进而这些Node-Line在高对称轴上相互交接,形成两个中心反演对称的近似两维的nodal-net。更有趣的是,这些nodal-net投影到材料的表面上时,在费米能级上下呈现出一对受体态拓扑保护的鼓膜状表面平带【红色曲线,图2。多于一个表面平带的出现为多带关联调控提供了很好的平台。当表面悬挂键用H原子钝化时表面平带在两个nodal-net投影的外侧,当未用H原子钝化时表面平带在两个nodal-net投影的内侧。这些新的能带特征赋予碳新的物性,拓展了对拓扑nodal-Line半金属的认识,并将激发有关实验工作的开展。相关研究成果发表在Physical Review Letters上。

详细的能带计算表明这个新的三维石墨烯碳结构呈现Node-Line半金属特性。在两维石墨烯中,费米能级附近的能带形成交叉点,但是在三维BCO-C16晶体中,能带交叉点在动量空间形成连续闭合的曲线。并且这个曲线投影到材料的表面上时出现受体态拓扑保护的能量色散非常小的鼓膜状二维表面平带(红色曲线,图2c,2d)。通过和以往报道的X-线衍射实验数据的详细比对分析发现这种由苯环或苯环直链构成的三维石墨烯晶体结构可能存在于燃烧或爆炸生成的炭灰中,在30度附近存在一个显著的衍射峰。三维手性石墨烯晶体结构的发现,形成了一个从零维富勒烯球、一维碳纳米管、二维石墨烯以及三维碳烯的完整碳烯结构系列。这些结果对全面理解碳晶体构型及有关物性具有重要的科学意义,并将激发有关实验工作的开展。相关研究结果发表在5月11日出版的Phys. Rev. Lett. 116, 195501 。

研究工作得到了国家自然科学基金委、中科院战略性先导科技专项和科技部国家重点研发项目的支持。

该工作得到了国家自然科学基金委(批准号11274356,11274359,11422428)、中国科学院先导B项目和科技部“973”项目的支持。

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