[论文解读] Emerging Two-dimensional Materials: graphene and its other structural analogues

Goutam Mukhopadhyay, Harihar Behera|arXiv (Cornell University)|Jun 3, 2013

Graphene research and applications参考文献 6被引用 3

一句话总结

本文综述了石墨烯以外的二维（2D）材料的出现，包括氮化硼烯、硅烯、石墨烷，以及理论预测的二维六方晶体如锗（Ge）、碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）。通过计算方法，作者分析了这些材料的结构和电子性质，揭示了其与体相行为的显著差异，并强调了这些2D体系在先进纳米电子学和光电子学应用中的潜力，归因于其独特的量子和力学性质。

ABSTRACT

The study of graphene, since its discovery around 2004, is possibly the largest and fastest growing field of research in material science, because of its exotic mechanical, thermal, electronic, optical and chemical properties. The studies of graphene have also led to further research in exploring the field of two dimensional (2D) systems in general. For instance, a number of other 2D crystals (not based on carbon, e.g., boronitrene, silicone, graphane, etc.) have been synthesized or predicted theoretically in recent years. Further, theoretical studies have predicted the possibility of other 2D hexagonal crystals of Ge, SiC, GeC, AlN, GaN, etc. The properties of these 2D materials are very different from their bulk. We shall present the general exotic properties of graphene like 2D systems followed by our computational results on the structural and electronic properties of some of them.

研究动机与目标

• 综述石墨烯发现后二维材料研究的迅速增长。
• 研究碳基体系以外的二维材料的结构和电子性质。
• 探讨如锗（Ge）、碳化硅（SiC）、氮化铝（AlN）和氮化镓（GaN）等二维晶体的理论预测与实验进展。
• 突出二维体系与体相材料显著不同的独特性质。
• 展示选定二维材料的稳定性和电子行为的计算结果。

提出的方法

• 对二维材料的结构稳定性和电子能带结构进行计算建模。
• 使用密度泛函理论（DFT）分析能量景观和电子性质。
• 理论预测第IV族及III–V族半导体（如锗（Ge）、碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN））的二维形式。
• 将二维体系与其体相类似物进行比较，以识别维度效应。
• 基于硅（Si）、锗（Ge）、铝（Al）、硼（B）、氮（N）和碳（C）等元素的六方二维晶体结构进行分析。
• 利用从头算计算评估机械、热学、电子学和光学性质。

实验结果

研究问题

• RQ1 石墨烯以外的二维材料（如硅烯和氮化硼烯）的关键结构和电子性质是什么？
• RQ2 二维材料的电子性质与其体相类似物有何不同？
• RQ3 哪些二维六方晶体（如锗（Ge）、碳化硅（SiC）、氮化铝（AlN）和氮化镓（GaN））在理论上被预测为稳定并具有独特性质？
• RQ4 维度在改变二维体系的机械和电子行为中起什么作用？
• RQ5 计算方法如何预测新兴二维材料的稳定性和功能性？

主要发现

• 石墨烯的发现因其中卓越的机械、热学、电子学、光学和化学性质，推动了对二维材料的广泛研究。
• 已合成或理论预测了多种二维材料，如氮化硼烯、硅烯和石墨烷，使二维材料家族超越了碳基体系。
• 理论研究预测了锗（Ge）、碳化硅（SiC）、碳化锗（GeC）、氮化铝（AlN）和氮化镓（GaN）的稳定二维六方相，具有独特的电子和结构特性。
• 二维材料的电子能带结构显示出与体相行为的强烈偏离，表明其在新型电子器件中的潜力。
• 计算结果证实了选定二维体系的稳定性和独特性质，支持其在未来的纳米尺度应用中的可行性。
• 二维材料的奇特性质，包括高电子迁移率和可调带隙，使其在下一代纳米电子学和光电子学中极具前景。