二维类石墨烯六角蜂窝状晶格材料电子结构特性的理论研究开题报告

1. 研究目的与意义

研究背景：

二维材料是目前凝聚态物理及材料科学领域的一个非常重要且热门的研究方向，二维材料可以表现出许多新奇的物理特性，例如具有线性狄拉克能带色散关系的石墨烯、具有能谷霍尔效应的二维过渡金属硫化物等。研究者发现有一类二维材料在一个维度上维持纳米尺度，一个或几个原子层厚度，而在二维平面内具有无限类似碳六元环组成的两维(2d)周期蜂窝状点阵结构，这类材料一般被称为二维类石墨烯六角蜂窝状晶格材料。和石墨烯材料类似，二维类石墨烯六角蜂窝状晶格材料也具有许多新奇的物理特性，具有重要的研究价值，例如新奇的能带结构和优越的电学、光学及热学性质。理论研究发现同种原子形成的a₂型（a = si, ge, sn, pb, bi, sb等）及不同种类原子形成的ab型（a = pb, bi, sb等; b = c, al, ga, in等）二维类石墨烯材料可以形成单层晶格结构，具有重要的理论研究价值。本课题主要通过基于密度泛函理论的第一性原理计算方法研究本征单层二维类石墨烯六角蜂窝状晶格材料的电子结构特性,为实验研究和应用提供理论指导。

2. 研究内容和预期目标

研究内容：

首先，建立由碳原子形成的具有二维六角蜂窝状晶格结构的单层石墨烯的原子结构模型，并采用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法研究并分析单层石墨烯的电子结构特性，得出石墨烯的性质。然后，建立由同种原子形成的a₂型（a = si, ge, sn, pb, bi, sb等）及不同种类原子形成的ab型（a = pb, bi, sb等; b = c, al, ga, in等）二维类石墨烯六角蜂窝状晶格材料的原子结构模型，并计算研究它们的电子结构性质，包括，晶格常数、能带结构、态密度等。除了研究本征二维类石墨烯六角蜂窝状晶格材料的电子结构特性外，还将通过外加手段（例如，化学修饰、应变、外电场、衬底等）来调控其电子结构特性。

预期目标：

3. 研究的方法与步骤

研究方法：

（1）复习量子力学和固体物理学，了解密度泛函理论基本知识。

（2）利用vesta软件建立由碳原子形成的具有二维六角蜂窝状晶格结构的单层石墨烯、单层a₂型及ab型二维类石墨烯六角蜂窝状晶格材料的原子结构模型。

4. 参考文献

[1] xue y, zhang j y, zhao b, wei x y, and yang z q, non-dirac chern insulators with large band gaps and spin-polarized edge states [j]. nanoscale, 2018, 10: 8569-8577.

[2] zhou m, ming w, liu z, wang z f, li p, and liu f, epitaxial growth of large-gap quantum spin hall insulator on semiconductor surface [j]. pnas, 2014, 111: 14378-14381.

[3] zhou x d, zhang r w, zhang z, ma d s, feng w, mokrousov y, and yao y g, fully spin-polarized nodal loop semimetals in alkaline metal monochalcogenide monolayers [j]. j. phys. chem. lett. 2019, 10: 3101-3108.

5. 计划与进度安排

(1) 2024-12-16～2024-02-19 学生复习量子力学和固体物理等基础课程，学习密度泛函理论的基本知识；

(2) 2024-02-20～2024-03-03 调研有关单层石墨烯、二维单层a₂型及ab型类石墨烯六角蜂窝状晶格材料的相关文献资料，提出研究方案，完成开题报告，教师完成开题报告的审核。

(3) 2024-03-04～2024-04-15 学习晶体模型的建立方法；学习第一性原理计算软件包vasp的使用方法；用第一性原理方法计算单层石墨烯和二维单层a₂型及ab型类石墨烯六角蜂窝状晶格材料的电子结构性质，包括，晶格常数、能带结构、态密度等。