基于碳纳米管和石墨烯纳米带组装的二维拓扑节线半金属的计算研究

作     者：王耀临 

作者单位：内蒙古大学 

学位级别：硕士

导师姓名：宋铁磊

授予年度：2023年

学科分类：081702[工学-化学工艺] 07[理学] 08[工学] 0817[工学-化学工程与技术] 070205[理学-凝聚态物理] 0702[理学-物理学] 

主      题：第一性原理计算 碳纳米管 石墨烯纳米带 拓扑节线半金属 应变 

摘      要：随着外尔半金属的预测和实验证实,拓扑半金属(TSMs)引起了人们极大的研究兴趣。拓扑半金属的重要拓扑特征来源于费米能级附近线性能带交叉形成的简并点。对于简并点连续的拓扑节线半金属(TNLSMs)而言,由于其新奇的拓扑特性,吸引了大量研究者不断地去寻找这种材料。但是在已经预测的众多材料中,它们大多数是由重元素组成,而且通常是昂贵的或者是有毒的。因此,寻找由轻元素组成的拓扑节线半金属材料是十分重要的。碳作为一种典型的轻元素,可以通过不同的杂化方式(sp、sp2和sp3)形成丰富的同素异形体,有着新奇物理和化学性质的碳纳米管(CNT)和石墨烯纳米带(GNR)是其典型的一维(1D)代表。基于此,本文利用拼接组装的方法结合第一性原理计算,给出了一系列由碳纳米管和石墨烯纳米带拼接而成的拓扑节线半金属,本文把它们命名为Tubegraphene-N,具体内容如下:(1)计算表明Tubegraphene(Tubegraphene-3)在能量稳定性方面优于绝大多数已经预测的二维碳节线半金属,并且在动力学和热力学上都是稳定的。此外,通过细致的对称性分析,论证了节线受镜面对称的保护。更为新奇的是,在适度的双轴应变下,节线存在的同时,还出现了二次单节点和线性双节点的相互转变。最后,通过计算二次单节点的各向异性,发现了类似线性中Ⅰ、Ⅱ类的过渡Ⅲ类的存在,本文把它命名为Q-Ⅲ类。该工作利用应变在二维(2D)碳材料中实现了单双节点的转变,是研究拓扑态转变很好的范例。(2)利用不同宽度的石墨烯纳米带拼接碳纳米管组装了 Tubegraphene-N,其中N代表石墨烯纳米带宽原子的个数(N=2n+1,n=1,2,3...)。计算表明Tubegraphene-N能量稳定性优越,并且声子谱和分子动力学模拟(MD)证实了其动力学和热力学稳定性。值得注意的是,随着N不断增加,Tubegraphene-N系列的节线形状从曲线逐渐变为直线,而且曲线上存在Ⅰ类、Ⅱ类和Ⅲ类共存的Weyl点,直线上只存在Ⅰ类Weyl点。该工作通过调控石墨烯纳米带宽度来改变节线形状,为调控节线形状提供了一个可行的思路。本文的工作为组装新型2D碳材料提供了一个新的途径,并且丰富了 2D碳同素异形体家族,其新奇的拓扑特性有望应用到实际中。