碳二維同素異構(gòu)體的理論研究.pdf

1、本文基于密度泛函理論，結(jié)合遺傳算法與實(shí)驗(yàn)報(bào)導(dǎo)，詳細(xì)研究了以下幾種新型二維碳材料的結(jié)構(gòu)與電子性質(zhì)。本研究分為三個(gè)部分：
　　第一部分的研究重點(diǎn)為由5元，6元及8元碳環(huán)組成的新型二維碳材料。利用遺傳算法，我們提出了三種新型的，由5，6，8元碳環(huán)組成的二維碳結(jié)構(gòu)，并驗(yàn)證了它們的穩(wěn)定性。新提出的結(jié)構(gòu)被命名為phographene(pentagon-hexagon-octagon-graphene)，共有α、β、γ、δ與ε五種相。其中γ相和

2、ε相分別對(duì)應(yīng)之前工作中所預(yù)測(cè)過的HOP-graphene和pentahexocite。幾種結(jié)構(gòu)均為金屬性導(dǎo)電材料，通過氫化可以轉(zhuǎn)變?yōu)閷拵栋雽?dǎo)體。其中，α-phographene表現(xiàn)出了比其他幾種結(jié)構(gòu)更為出色的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，并擁有與石墨烯相比擬的力學(xué)性質(zhì)。α-phographene的能量比大多數(shù)早先預(yù)測(cè)過的二維碳結(jié)構(gòu)更低，但與β-phographene及由5，6，7元碳環(huán)組成的二維碳同素異構(gòu)體phagraphene在能量上幾乎簡(jiǎn)并。根據(jù)我

3、們的計(jì)算，電子注入可以有效抑制phagraphene的生成;進(jìn)一步對(duì)結(jié)構(gòu)生長(zhǎng)的分析表明，碳環(huán)在組合時(shí)傾向于形成α-phographene的結(jié)構(gòu)單元。因此，在實(shí)驗(yàn)制備時(shí)更容易形成高質(zhì)量，大面積的α-phographene二維晶體。由于5元碳環(huán)與8元碳環(huán)的存在，phographene表現(xiàn)出比石墨烯更強(qiáng)的反應(yīng)活性，對(duì)貴金屬團(tuán)簇，如Au或Pt的吸附作用會(huì)增強(qiáng)，具有形成高效復(fù)合催化劑的應(yīng)用前景。
　　第二部分，研究了多種以聯(lián)苯烯小分子為基本

4、結(jié)構(gòu)單元的二維碳結(jié)構(gòu)，并將其命名為PB(Polymerized-biphenylene)。根據(jù)實(shí)驗(yàn)報(bào)導(dǎo)，聯(lián)苯烯小分子具有兩種聚合方式，可以形成兩種納米帶，并擁有與聚合方向，寬度相關(guān)的電子性質(zhì)。之前已經(jīng)預(yù)測(cè)過了若干種以聯(lián)苯烯小分子為結(jié)構(gòu)單元的二維碳結(jié)構(gòu)，我們?cè)诳偨Y(jié)前人工作的基礎(chǔ)上提出了兩種新型的聚合方式，新提出的聚聯(lián)苯烯構(gòu)型能量上更低。各種穩(wěn)定性分析均表明新提出的構(gòu)型具有實(shí)驗(yàn)合成的可能性。PB對(duì)鋰離子的吸附結(jié)果表明其具有潛在的鋰電池電極及

5、氣敏傳感器應(yīng)用前景。
　　第三部分，提出了一種新型的，具有狄拉克錐的二維碳結(jié)構(gòu)，并驗(yàn)證了它的穩(wěn)定性。這種新結(jié)構(gòu)具有與富勒烯類似的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，因此命名為fl-graphene(fullerene-like-graphene)。由于其構(gòu)型特點(diǎn)，fl-graphene的能量?jī)?yōu)于完全由五元碳環(huán)構(gòu)成的二維碳結(jié)構(gòu)penta-graphene，其面內(nèi)硬度可與二維六方氮化硼材料相比擬。由于其結(jié)構(gòu)存在褶皺，fl-graphene中的狄拉克錐與石墨烯中