固体所在稳定高压合成金刚石烯研究方面取得进展

  近期，中科院合肥研究院固体所计算物理与量子材料研究部王贤龙课题组在稳定高压合成金刚石烯研究上取得新进展，研究表明B和N掺杂不但能够调控其电子结构性质（半导体、金属、超导），而且能够降低形成能，增强金刚石烯在常温常压下的稳定性。相关研究结果以“Configurationstability and electronic properties of diamane with boron and nitrogen dopants ”发表在Physical Review B (Phys. Rev. B, 105, 174106 (2022))上。金刚石烯是由双层石墨烯层间形成sp3键构成的二维单层金刚石，由于其兼具石墨烯和金刚石的特性，有望发展成为和石墨烯并列的一类新型二维碳材料，可以用于电子器件的超薄保护涂层，在纳米光电器件方面也具有潜在的应用价值。但是目前实验上通过在高压下压缩双层石墨烯合成的金刚石烯，在撤压后均转变回了石墨烯，很难在常温常压下稳定存在。

  为此，研究人员基于第一性原理方法研究了立方和六方金刚石烯不同掺杂形式的结构和性质。结果发现，掺杂能够降低金刚石烯的形成能，促进金刚石烯的合成并提升其在常温常压环境下的稳定性。基于此，研究人员提出通过压缩一层掺杂B原子另一层掺杂N原子的双层石墨烯获得的金刚石烯最稳定。通过压缩N掺杂双层石墨烯来合成金刚石烯在实验上最容易实现，因为此时的形成能不依赖于掺杂原子的分布形式。此外，掺杂原子在不同的替代位会呈现出不同的电子结构（半导体、金属、超导～4K），可以应用于二维电子器件领域。这项工作为合成更稳定、功能更强的金刚石烯提供了新途径。

上述工作得到了国家自然科学基金的资助，所有计算在中科院超算中心合肥分中心完成。

  文章链接：https://journals.aps.org/prb/abstract/10.1103/PhysRevB.105.174106

  DOI: 10.1103/PhysRevB.105.174106

图1. 立方（a）和六方（b）金刚石烯的结构

图2. 不同掺杂方式的形成能（压缩双层石墨烯合成金刚石烯）

图3. 不同掺杂构型的带隙。单色的柱状表示直接带隙，有斜线的柱状表示间接带隙。红色虚线和蓝色虚线分别表示纯的立方金刚石烯和六方金刚石烯的带隙