[论文解读] Stone-Wales graphene: A Two Dimensional Carbon Semi-Metal with Magic Stability

Hengchuang Yin, Xizhi Shi+8 more|arXiv (Cornell University)|Jan 9, 2019

Graphene research and applications被引用 4

一句话总结

本文提出石墨烯的一种新型二维碳同素异形体——Stone-Wales石墨烯，其通过在√8 × √8石墨烯超胞中进行90°键旋转形成，由于‘特定尺寸’效应而表现出极高的稳定性。第一性原理计算证实，该结构为动态稳定的半金属，具有扭曲且各向异性的狄拉克锥，其能量低于此前提出的同素异形体（如磷烯石墨烯和ψ-石墨烯）。

ABSTRACT

A two-dimensional carbon allotrope, Stone-Wales graphene, is identified in stochastic group and graph constrained searches and systematically investigated by first-principles calculations. Stone-Wales graphene consists of well-arranged Stone-Wales defects, and it can be constructed through a 90$^\circ$ bond-rotation in a $\sqrt{8}$$ imes$$\sqrt{8}$ super-cell of graphene. Its calculated energy relative to graphene, +149 meV/atom, makes it more stable than the most competitive previously suggested graphene allotropes. We find that Stone-Wales graphene based on a $\sqrt{8}$ super-cell is more stable than those based on $\sqrt{9} imes \sqrt{9}$, $\sqrt{12} imes \sqrt{12}$ and $\sqrt{13} imes \sqrt{13}$ super-cells, and is a "magic size" that can be further understood through a simple "energy splitting and inversion" model. The calculated vibrational properties and molecular dynamics of SW-graphene confirm that it is dynamically stable. The electronic structure shows SW-graphene is a semimetal with distorted, strongly anisotropic Dirac cones.

研究动机与目标

• 通过随机搜索与图约束搜索方法，寻找超越石墨烯的新型二维碳同素异形体。
• 研究石墨烯超胞中由Stone-Wales缺陷形成的同素异形体的能量稳定性和结构特性。
• 确定Stone-Wales石墨烯是否具有动力学稳定性以及独特的电子性质（如半金属性）。
• 通过一种新颖的‘能量分裂与反转’模型，解释√8 × √8超胞中增强稳定性的来源。
• 系统研究SW-石墨烯同素异形体家族的电子结构，识别哪些结构表现出狄拉克锥行为。

提出的方法

• 采用RG2代码进行随机群和图约束搜索，以探索每单元晶胞最多含24个原子的稳定二维碳结构。
• 使用VASP软件中的PBE交换关联泛函执行第一性原理密度泛函理论（DFT）计算，以获得结构、能量和电子性质。
• 采用2s²2p² PAW赝势描述碳原子，并将电子收敛的截断能设置为50 Ry。
• 通过声子色散关系和分子动力学模拟评估动力学稳定性。
• 系统分析单个Stone-Wales缺陷存在于√N × √N超胞中的能量演化过程，比较固定构型、离子弛豫和完全弛豫状态。
• 提出一种理论‘能量分裂与反转’模型，通过分析弛豫能贡献（ΔE₁, ΔE₂, ΔE₃）来解释√8 × √8超胞中增强稳定性的机制。

实验结果

研究问题

• RQ1 是否存在一种基于Stone-Wales缺陷的二维碳同素异形体，其稳定性高于此前提出的石墨烯同素异形体？
• RQ2 在Stone-Wales石墨烯的√8 × √8超胞中观察到的卓越稳定性源于何种机制？
• RQ3 Stone-Wales石墨烯在热涨落和振动波动下是否表现出动力学稳定性？
• RQ4 Stone-Wales石墨烯的电子结构如何？其是否具有各向异性的费米速度和狄拉克锥？
• RQ5 SW-石墨烯同素异形体家族的电子性质如何随超胞尺寸和对称性变化而演变？

主要发现

• 基于√8 × √8超胞的Stone-Wales石墨烯比√9 × √9超胞更稳定50 meV/原子，且在√13 × √13以内的所有其他超胞中也表现出更高的稳定性。
• 与石墨烯相比，√8 × √8 SW-石墨烯结构的能量比磷烯石墨烯（+201 meV/原子）和ψ-石墨烯（+165 meV/原子）更低，表明其具有更高的能量稳定性。
• 该结构具有动力学稳定性，声子色散关系和分子动力学模拟均未发现软模。
• 电子能带结构显示，SW-石墨烯为半金属，具有强烈各向异性和扭曲的狄拉克锥，且具有非平凡的Berry相位π。
• √8 × √8超胞的‘特殊稳定性’源于离子弛豫过程中最大能量释放（ΔE₂），该现象可通过‘能量分裂与反转’模型得到解释。
• 在SW-石墨烯同素异形体中，仅√8-Cmmm、√16、√24-Cmmm、√25、√27和√32-Cmmm表现出半金属性和狄拉克锥；其余结构为具有直接或间接带隙的半导体。