固體所在穩定高壓合成金剛石烯研究方麵取得進展

  近期 ，中科院合肥研究院固體所計算物理與量子材料研究部王賢龍課題組在穩定高壓合成金剛石烯研究上取得新進展 ，研究表明B和N摻雜不但能夠調控其電子結構性質（半導體 、金屬 、超導） ，而且能夠降低形成能 ，增強金剛石烯在常溫常壓下的穩定性 。相關研究結果以“Configurationstability and electronic properties of diamane with boron and nitrogen dopants ”發表在Physical Review B (Phys. Rev. B, 105, 174106 (2022))上 。金剛石烯是由雙層石墨烯層間形成sp3鍵構成的二維單層金剛石 ，由於其兼具石墨烯和金剛石的特性 ，有望發展成為和石墨烯並列的一類新型二維碳材料 ，可以用於電子器件的超薄保護塗層 ，在納米光電器件方麵也具有潛在的應用價值 。但是目前實驗上通過在高壓下壓縮雙層石墨烯合成的金剛石烯 ，在撤壓後均轉變回了石墨烯 ，很難在常溫常壓下穩定存在 。

  為此 ，研究人員基於第一性原理方法研究了立方和六方金剛石烯不同摻雜形式的結構和性質 。結果發現 ，摻雜能夠降低金剛石烯的形成能 ，促進金剛石烯的合成並提升其在常溫常壓環境下的穩定性 。基於此 ，研究人員提出通過壓縮一層摻雜B原子另一層摻雜N原子的雙層石墨烯獲得的金剛石烯最穩定 。通過壓縮N摻雜雙層石墨烯來合成金剛石烯在實驗上最容易實現 ，因為此時的形成能不依賴於摻雜原子的分布形式 。此外 ，摻雜原子在不同的替代位會呈現出不同的電子結構（半導體 、金屬 、超導～4K），可以應用於二維電子器件領域 。這項工作為合成更穩定 、功能更強的金剛石烯提供了新途徑 。

上述工作得到了國家自然科學基金的資助 ，所有計算在中科院超算中心合肥分中心完成 。

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  DOI: 10.1103/PhysRevB.105.174106

圖1. 立方（a）和六方（b）金剛石烯的結構

圖2. 不同摻雜方式的形成能（壓縮雙層石墨烯合成金剛石烯）

圖3. 不同摻雜構型的帶隙 。單色的柱狀表示直接帶隙 ，有斜線的柱狀表示間接帶隙 。紅色虛線和藍色虛線分別表示純的立方金剛石烯和六方金剛石烯的帶隙