二維材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵技術(shù)研究

任月紅，韓清珍，江兆潭

1.北京理工大學(xué) 物理學(xué)院，北京 100081

2.中國科學(xué)院過程工程所 多相復(fù)雜系統(tǒng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室環(huán)境技術(shù)與工程研究部，北京 100190

引言

二維材料因其獨(dú)特的電子結(jié)構(gòu)和物化性質(zhì)引起了材料、化學(xué)、納米技術(shù)等領(lǐng)域研究人員的廣泛關(guān)注。其中，以石墨烯[1]、磷烯[2]、硅烯[3-4]、六方氮化硼、類石墨相氮化碳 (g-C3N4或 CN) 等為代表的六角蜂窩結(jié)構(gòu)納米層狀材料是目前最常見，也是研究和應(yīng)用最廣泛的二維材料。這些具有原子層厚度的二維材料均表現(xiàn)出優(yōu)異的物理化學(xué)、電子和光學(xué)等性能，尤其是具有較好的柔韌性及透明度，使其在電子器件、儲能、超導(dǎo)、發(fā)光等諸多領(lǐng)域都具有廣闊的應(yīng)用前景[5]。此外，這些二維材料還可通過缺陷、摻雜、復(fù)合等方法調(diào)節(jié)其結(jié)構(gòu)和成分，從而形成性能更加優(yōu)異的多種衍生物。

2004 年，Geim 等[1]用機(jī)械剝離法從石墨中成功制備出單層石墨烯，并發(fā)現(xiàn)了其量子霍爾效應(yīng)[6]，開啟了二維材料的研究熱潮。隨后相繼涌現(xiàn)出了g-C3N4、六方氮化硼 (h-BN)、磷烯、硅烯、過渡金屬硫化物 (TMDs) 等許多典型的類石墨烯材料，引起了各研究領(lǐng)域的廣泛關(guān)注，并取得了一些標(biāo)志性的研究成果 (如表 1)。通過表 1 可以看出，這些研究的基礎(chǔ)和關(guān)鍵均是基于二維材料的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)關(guān)系。

此外，在二維材料應(yīng)用研究方面，2009 年，Wang 等[13]報(bào)道了g-C3N4在可見光下能夠光解水制氫，開啟了 g-C3N4在光催化領(lǐng)域的研究熱潮。目前g-C3N4在光解水制氫、CO2光催化還原、污染物光催化降解和殺菌消毒等方面開始得到廣泛的應(yīng)用和關(guān)注[14-17]。2013 年，Meyer 等[18]將 Pd/h-BN 用于乳糖氧化反應(yīng)，發(fā)現(xiàn)其催化活性比 γ-Al2O3及碳材料更好。這主要是由于 h-BN 無孔及表面無羥基的結(jié)構(gòu)特性引起的。同年，F(xiàn)u 等[19,20]將 h-BN 作為 TiO2或 ZnO 的輔助催化劑用于羅丹明和亞甲基藍(lán)陽染料的降解，發(fā)現(xiàn) h-BN 能夠有效降低光生電子-空穴對的復(fù)合，提高染料的降解率?？梢?，h-BN 的結(jié)構(gòu)特性也決定了其在光催化領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

在磷烯和 TMDs 的應(yīng)用研究方面，2014 年，Ye 課題組[21]和復(fù)旦大學(xué)張遠(yuǎn)波課題組[2]幾乎同時從黑磷中剝離出多層磷烯，并發(fā)現(xiàn)單層磷烯具有較強(qiáng)的各向異性機(jī)械性能，同時還發(fā)現(xiàn)磷烯具有高載流子遷移率和帶隙可調(diào)等特點(diǎn)，引起了人們的極大興趣。2010 年，Mak 等[22]利用密度泛函理論計(jì)算了塊材和 1～6 層 MoS2的能帶結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)其能帶結(jié)構(gòu)與層數(shù)有關(guān)，且會從間接帶隙 (塊材) 轉(zhuǎn)變成直接帶隙 (層狀)。2016 年，Ji 等[23]通過對單層或幾層 MoS2薄膜晶體管的電子遷移率與層數(shù)間的計(jì)算材料學(xué)研究，發(fā)現(xiàn)其電子遷移率會隨著層數(shù)的增加而增大。2017 年，Moghadasi 等[24]用密度泛函理論研究了在雙軸拉伸和壓縮應(yīng)變下 MoS2的電子、振動及比熱調(diào)制，指出 MoS2的電子和光子帶隙與應(yīng)變有關(guān)，并發(fā)現(xiàn)特定溫度下所施加的應(yīng)力與比熱成線性關(guān)系，而在低溫下成平方關(guān)系。這些研究結(jié)果表明 TMDs 在低功耗電子、柔性電子、光電子、應(yīng)變電子或自旋電子等領(lǐng)域已顯示出了廣闊的應(yīng)用潛力。

表1 幾種常見二維材料的結(jié)構(gòu)特性Table 1 Structural characteristics of several common 2D materials

在硅/鍺/錫烯的應(yīng)用研究方面，Peng 等[25]對 IV和 V 族二維材料的周期性結(jié)構(gòu)起伏與聲子熱傳導(dǎo)的關(guān)系研究表明周期性起伏越大，越能促進(jìn)散熱，這主要是因?yàn)橹芷谛云鸱鰪?qiáng)了 π 鍵，加劇了聲學(xué)支和光學(xué)支的頻隙，從而降低了聲子間的色散。2018 年，Zhang 等[26]從體硅晶體成功剝離出多層硅烯，并發(fā)現(xiàn)了硅烯納米片的非線性吸收(NLA)性質(zhì)。硅/鍺/錫烯的這些研究結(jié)果及其體現(xiàn)出來的物化特性使其在汽車制造、建筑業(yè)、涂料、炊具、電子技術(shù)等眾多領(lǐng)域都具有潛在的應(yīng)用前景。

總之，在近 20 年的時間里，二維材料的研究和應(yīng)用文獻(xiàn)層出不窮，但其根本都是基于二維材料的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)關(guān)系。隨著二維材料的深入研究和應(yīng)用，其自身的局限性也開始逐漸顯現(xiàn)出來。如石墨烯的零帶隙限制了它在光電子器件中的應(yīng)用；TMDs 因其載流子遷移率較低，存在相當(dāng)大的漲落，也限制了它在電子器件中的廣泛應(yīng)用；磷烯在空氣中易氧化、化學(xué)穩(wěn)定性低且存在氧缺陷、表面鈍化等缺點(diǎn)，對器件的性能易產(chǎn)生不利影響；g-C3N4則因其載流子復(fù)合率高、光響應(yīng)范圍小等性質(zhì)限制了它在光催化領(lǐng)域的應(yīng)用。

為了更好地解決這些問題，研究人員開展了大量研究，發(fā)現(xiàn)可基于二維材料的計(jì)算材料學(xué)研究，通過結(jié)構(gòu)和成分的介觀調(diào)控，如采用缺陷、表面修飾摻雜、構(gòu)建復(fù)合材料等方法來提高二維材料的性能，從而進(jìn)一步拓寬二維材料的研究和應(yīng)用領(lǐng)域[16,17,27-31]。本文在大量文獻(xiàn)基礎(chǔ)上，針對一系列二維材料的結(jié)構(gòu)特征，系統(tǒng)模擬了這些二維材料的晶體結(jié)構(gòu)及其電子結(jié)構(gòu)特征等，總結(jié)分析了其性質(zhì)特征及其計(jì)算材料學(xué)研究，明確了計(jì)算材料學(xué)研究 (結(jié)構(gòu)與性質(zhì)關(guān)系) 是二維材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵科學(xué)技術(shù)問題之一，為二維材料后期的表面缺陷、摻雜、復(fù)合改性等研究和實(shí)際應(yīng)用等提供了研究思路和理論依據(jù)。

1 二維材料的計(jì)算材料學(xué)研究

1.1 計(jì)算方法

基于密度泛函理論 (Density functional theory,DFT) 的平面波超軟贗勢法，在文獻(xiàn)[7,9,11,25,32,33]基礎(chǔ)上，建立了石墨烯、g-C3N4、h-BN、磷烯、MoS2和硅/鍺/錫烯等一系列二維材料的晶體結(jié)構(gòu)和二維層狀表面結(jié)構(gòu)，并計(jì)算和分析了其能帶結(jié)構(gòu)以及電子態(tài)密度等。本文所有計(jì)算均采用 Materials Studio8.0 軟件包中的 Castep 模塊[34]，交換關(guān)聯(lián)能采用廣義梯度近似 GGA 下的 PBE 泛函[31]，并利用混合半經(jīng)驗(yàn)方法TS 對 C6R-6 結(jié)構(gòu)進(jìn)行彌散修正。平面波截?cái)嗄茉O(shè)為400 eV，晶體結(jié)構(gòu)的 k-points 設(shè)為 3×3×3，表面結(jié)構(gòu)的 k-points 設(shè)為 3×3×1，SCF 收斂精度為 5.0×10-7eV/atom，每個原子受力不超過 0.01 eV/?，價(jià)電子和原子實(shí)之間的相互作用采用超軟贗勢來描述。

1.2 石墨烯

石墨烯是由 C 原子組成的平面六角蜂窩狀晶格的二維材料，它是石墨的單層結(jié)構(gòu) (如圖 1 (a) 和(b))?？梢钥闯觯┑钠矫媪墙Y(jié)構(gòu)是由兩套相互貫穿的三角形子晶格組成，其中一套子晶格的 C原子位于另一套子晶格的中心，晶胞由兩個 C 原子組成，鍵長 1.42 ?，通過 σ 鍵連接，在任何原子周圍旋轉(zhuǎn) 120° 不變。每個 C 原子由一個 s 軌道和兩個面內(nèi) p 軌道形成 sp2雜化，在垂直于面內(nèi)的 p 軌道形成大 π 鍵 (價(jià)帶) 和 π* 鍵 (導(dǎo)帶)。單層石墨烯的厚度為 3.35 ?，相當(dāng)于一個碳原子的直徑。石墨烯這些自身的結(jié)構(gòu)特征決定了它具有零帶隙 (如圖 1 (c)) 以及獨(dú)特的線性色散現(xiàn)象等，且在其費(fèi)米面附近呈現(xiàn)出獨(dú)特的狄拉克錐形能帶，使其既具有金屬性又具有拓?fù)湫?，體現(xiàn)出高載流子和電子遷移率，良好的電導(dǎo)率，高熱導(dǎo)性以及較高的抗拉伸性[7]等獨(dú)特的性質(zhì)，可應(yīng)用于鋰離子電池、太陽能敏化電池以及光電器件、儲能、表面催化、超潤滑、涂料、復(fù)合材料等諸多領(lǐng)域。

但同時石墨烯的零帶隙又限制了它在光電、催化等方面的廣泛應(yīng)用。因此，需要深入研究石墨烯的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)關(guān)系，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行改性后的計(jì)算材料學(xué)研究，才是真正實(shí)現(xiàn)石墨烯工業(yè)應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)問題。

1.3 類石墨相氮化碳 (g-C3N4)

g-C3N4與石墨烯結(jié)構(gòu)相似，層間是由范德華力連接的二維層狀結(jié)構(gòu) (如圖 2 (a))?？梢钥闯?，g-C3N4中的 C 和 N 是以 sp2雜化形式存在，C 與 N 交錯連接形成 σ 鍵，進(jìn)而形成六邊形結(jié)構(gòu)，p 軌道垂直于該六邊形平面，形成離域的大 π 鍵，g-C3N4六邊形中 N的 sp2雜化軌道上的未成鍵電子填充在 3-s-三嗪環(huán) (或三個三嗪環(huán)) 由橋位 N 原子連接而成的氮孔位上。g-C3N4有兩種同素異形體，如圖 2 (b) 和 (c) 所示分別是三嗪環(huán)和 3-s-三嗪環(huán)，由于其氮孔位不同，其穩(wěn)定性也存在差異。計(jì)算發(fā)現(xiàn)以 3-s-三嗪為結(jié)構(gòu)單元的g-C3N4穩(wěn)定性最好。同時，g-C3N4不溶于酸性、堿性溶劑，其具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性。

此外，g-C3N4層內(nèi)是各向異性的，其能帶結(jié)構(gòu)和態(tài)密度圖如圖 2 (d) 和 (e) 所示，帶隙大約為 2.691 eV，可吸收 450～460 nm 的可見光。另外，通過圖 2(d) 和 (e) 可以看出，g-C3N4是間接帶隙半導(dǎo)體，其價(jià)帶頂主要由 N 的 2p 態(tài)和 N 的 2s 態(tài)組成，導(dǎo)帶底主要由 C 的 2p 態(tài)和 N 的 2p 態(tài)雜化而成，且 N 的 2p 軌道貫穿整個價(jià)帶和導(dǎo)帶，說明 N 更傾向于作為光催化的活性位點(diǎn)，因此，g-C3N4具有其他二維材料所不具有的一些特殊性能，使其逐漸成為一種應(yīng)用廣泛的新型光催化劑，深入研究其電子分布和結(jié)構(gòu)特征，確定其微觀結(jié)構(gòu)與宏觀性質(zhì)間的關(guān)系和控制機(jī)制，系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)算材料學(xué)研究是更好地將 g-C3N4應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)的關(guān)鍵科學(xué)技術(shù)問題。

1.4 六方氮化硼

h-BN 是平面蜂窩狀結(jié)構(gòu)的二維層狀材料，如圖3 (a) 和 (b) 所示。它是由 B 原子和 N 原子緊密交錯排列而成具有 sp2雜化的蜂窩狀結(jié)構(gòu)，層內(nèi)相鄰原子間距為2.504 ?，層間距為 3.30×3.33 ?。h-BN 的層內(nèi)原子間是共價(jià)鍵相互作用，層間是弱范德華力作用，同磷烯相似，其層內(nèi)也具有各向異性，且具有柔軟的質(zhì)地，易于加工。圖 3 (c) 給出了 h-BN 的能帶結(jié)構(gòu)，不同于石墨烯和磷烯，其帶隙為 4.238 eV，是一種非常好的絕緣體，且具有平整的表面、無懸掛鍵、摻雜效應(yīng)弱等優(yōu)勢。因此 h-BN 具有高熱導(dǎo)率、高耐熱性、耐腐蝕、低熱膨脹系數(shù)、良好的絕緣性、較高的化學(xué)穩(wěn)定性、介電性能好等優(yōu)異性能，使其在高溫潤滑劑、氧化防護(hù)、光電功能器件以及隱形材料等諸多領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用前景。其性能和廣泛應(yīng)用也要基于h-BN 的計(jì)算材料學(xué)研究。

圖1 (a) 多層石墨烯原子結(jié)構(gòu)示意圖；(b) 單層石墨烯結(jié)構(gòu)示意圖；(c) 石墨烯的能帶結(jié)構(gòu)。Fig.1 (a) The side view of the graphene crystal lattice; (b) The top view of the single-layer graphene lattice; (c) The band structure of graphene.

圖2 g-C3N4 的結(jié)構(gòu)模型：(a) g-C3N4 的原胞晶體結(jié)構(gòu)；(b) 以三嗪為結(jié)構(gòu)單元連形成 g-C3N4；(c) 3-s-三嗪為結(jié)構(gòu)單元連接形成 g-C3N4；(d) g-C3N4 的能帶結(jié)構(gòu)；(e) g-C3N4 的分態(tài)密度分布。Fig.2 Structure models of g-C3N4: (a) g-C3N4 crystal; (b) The g-C3N4 model consist of s-triazine basic structural unit; (c) The g-C3N4 model consist of 3-s-triazine basic structural unit; (d) The band structure ofg-C3N4; (e) The partial density of states of g-C3N4.

圖3 (a) 多層 h-BN 晶體結(jié)構(gòu)示意圖；(b) 單層 h-BN 結(jié)構(gòu)示意圖；(c) h-BN 晶體的能帶結(jié)構(gòu)。Fig.3 (a) The side view of the h-BN crystal lattice; (b) The top view of the lattice of single-layer h-BN; (c) The band structure of h-BN.

1.5 磷烯

與石墨烯類似，黑磷是六角結(jié)構(gòu)的層狀材料，層內(nèi)是強(qiáng)共價(jià)鍵，而層間是由弱的范德華力連接。與石墨烯命名相似，從黑磷 (如圖 4 (a)) 中剝離出來的單層黑磷被稱為磷烯 (如圖 4 (b))。從圖中可以看出，單層磷烯平面是褶皺結(jié)構(gòu)，每個 P 原子與近鄰的 3 個 P原子形成共價(jià)鍵，由于 P 元素只有三個價(jià)電子導(dǎo)致這種蜂窩狀褶皺結(jié)構(gòu)在 P 原子間表現(xiàn)出 sp3雜化。單層磷烯中含有兩個子原子層，其中單層中最近鄰原子間的鍵長為 2.224 ?，而連接兩層的最近鄰原子間的距離為 2.244 ?，由于黑磷中的 3p 軌道共價(jià)鍵的存在使得這兩個鍵長非常接近，單層磷烯厚度為 5.3 ?。沿z方向的俯視圖 (如圖 4 (b)) 可以看出，磷烯具有 96.3°和 102.1° 的鍵角和六角形蜂窩狀結(jié)構(gòu)，x 和 y 方向分別是黑磷的扶手椅 (armchair) 和鋸齒 (zigzag) 方向，正是由于這兩個方向的特殊性導(dǎo)致了磷烯面內(nèi)的各向異性。這種各向異性使晶體在高壓下易發(fā)生扭曲，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)相變。在 5 GPa 下黑磷可從斜方晶系轉(zhuǎn)變?yōu)槿蔷担?10 GPa下進(jìn)而轉(zhuǎn)變?yōu)楹唵蔚牧⒎浇Y(jié)構(gòu)。

與石墨烯相比，磷烯的褶皺結(jié)構(gòu)除了具有高電子遷移率之外，還具有面內(nèi)各向異性和可調(diào)節(jié)帶隙的特點(diǎn)。磷烯的能帶結(jié)構(gòu)如圖 4 (c) 所示，其帶隙大約為0.64 eV，且與厚度相關(guān)，隨著層數(shù)的增加帶隙從單層磷烯的 2.0 eV 減小到 0.3 eV，帶隙的變化主要是由層間的范德華相互作用引起。不同于過渡金屬氧化物，任意層數(shù)的磷烯都是直接帶隙半導(dǎo)體。這些獨(dú)特的電子結(jié)構(gòu)決定了它具有優(yōu)異的光電、力學(xué)、熱學(xué)等性質(zhì)，可用于熱電材料、納電材料、光探測器、場效應(yīng)晶體管、發(fā)光二極管及光電器件、光通訊、生物醫(yī)學(xué)等諸多領(lǐng)域。但磷烯在空氣中易被氧化，化學(xué)穩(wěn)定性差，且易存在氧缺陷，導(dǎo)致表面鈍化等缺點(diǎn)，這些缺點(diǎn)會嚴(yán)重影響器件的性能，這些問題的深入研究和解決也需要充分考慮磷烯的電子結(jié)構(gòu)特征和計(jì)算材料學(xué)研究及其介尺度控制機(jī)制。

1.6 過渡金屬硫化物 (TMDs)

圖4 (a) 多層黑磷原子結(jié)構(gòu)示意圖；(b) 單層黑磷結(jié)構(gòu)示意圖；(c) 黑磷烯的能帶結(jié)構(gòu)。Fig.4 (a) The side view of the BP crystal lattice, the interlayer spacing is 0.53 nm; (b) The top view of the lattice of single-layer BP;(c) The band structure of phosphorene.

文獻(xiàn)研究[33]表明，在過渡金屬中只有 W 和 Mo能形成穩(wěn)定且?guī)遁^大的半導(dǎo)體。此外，由于過渡金屬有不同的配位方式，導(dǎo)致 TMDs 存在多種結(jié)構(gòu)相，體現(xiàn)出非常豐富的電子和能帶結(jié)構(gòu)以及相應(yīng)的電學(xué)和光學(xué)性能[35]。以 MoS2 為例，圖 5 (a) 給出了 MoS2的晶體結(jié)構(gòu)，其層內(nèi)原子間是通過共價(jià)鍵相互作用的，層間仍然是弱范德華力，這與石墨烯類似，因此TMDs 也可通過機(jī)械剝離法獲得單層或幾層結(jié)構(gòu) (如圖 5 (b))。

MoS2 的能帶結(jié)構(gòu)如圖 5 (c) 所示，其帶隙大約為1.081 eV，具有較好的光電特性。TMDs 的能帶結(jié)構(gòu)也與層數(shù)有關(guān)，隨著層數(shù)的減小，它的價(jià)帶和導(dǎo)帶的邊緣位置也會發(fā)生改變，可從間接帶隙變成直接帶隙半導(dǎo)體。TMDs 具有優(yōu)異的電學(xué)性能和原子尺度的單層結(jié)構(gòu)，體現(xiàn)出獨(dú)特的能帶結(jié)構(gòu)、超導(dǎo)體特性以及機(jī)械性能等，使其可廣泛應(yīng)用于納米電子器件和光電子學(xué)等領(lǐng)域。且由于 TMDs 具有間接帶隙變?yōu)橹苯訋兜奶匦裕蛊湓诰w管、光探測、電致發(fā)光器件等領(lǐng)域也具有廣泛的應(yīng)用。盡管 TMDs 的理論計(jì)算表現(xiàn)出優(yōu)異的開關(guān)特性和較低的功率損耗，但實(shí)際上相較于載流子的有效質(zhì)量和有效機(jī)制，其電子遷移率仍比較低，因此 TMDs 在較高能的無線電射頻晶體管中依然不能得到很好的應(yīng)用，這些問題也限制了它在電子器件中的廣泛應(yīng)用。因此，未來的研究和應(yīng)用中還需對TMDs 進(jìn)行計(jì)算材料學(xué)研究，確定其特殊的電子結(jié)構(gòu)特征和構(gòu)效關(guān)系及其控制機(jī)制。

1.7 硅/鍺/錫烯

圖 6 (a) 和 (b) 和 (c) 給出了硅烯、鍺烯和錫烯的平面結(jié)構(gòu)，也是二維狄拉克材料?？梢钥闯?，它們的納米層是具有輕微彎曲的芳香結(jié)構(gòu)，這與石墨烯的平面二維蜂窩狀結(jié)構(gòu)不同。與平面結(jié)構(gòu)和高度扭曲的完全 sp3雜化結(jié)構(gòu)相比，這種輕微扭曲結(jié)構(gòu)更穩(wěn)定[12]。硅烯、鍺烯和錫烯的層內(nèi)是類 sp3雜化軌道，這是由于 C-C(1.42 ?)、Si-Si(2.28 ?)、Ge-Ge(2.44 ?)、Sn-Sn(2.83 ?) 的鍵長逐漸增大，隨著鍵長的增大，其軌道共軛程度降低，π 鍵減弱，因此，層內(nèi)相互作用從石墨烯的 sp2雜化軌道轉(zhuǎn)變?yōu)楣?鍺/錫烯的類 sp3雜化軌道。其中，與硅烯和鍺烯相比，錫烯中的 Sn-Sn 鍵更長，π 鍵更弱，所以錫烯扭曲程度更大。

圖5 (a) 和 (b) MoS2 晶體結(jié)構(gòu)；(c) MoS2 的能帶結(jié)構(gòu)。Fig.5 (a) and (b) Crystal structures of MoS2; (c) The band structure of MoS2.

圖6 褶皺狀晶體結(jié)構(gòu)：(a) 硅烯，(b) 鍺烯，(c) 錫烯；能帶結(jié)構(gòu)：(d) 硅烯，(e) 鍺烯，(f) 錫烯。Fig.6 Buckled honeycomb lattice structure: (a) silicene, (b) germanene, (c) stanene; The band structure of: (d) silicene, (e)germanene, (f) stanene.

另外，圖 6 (d) 和 (e) 和 (f) 分別給出了硅烯、鍺烯和錫烯的能帶結(jié)構(gòu)圖?？梢钥闯?，這三種二維材料均為零帶隙，且與石墨烯相似，硅/鍺/錫烯在費(fèi)米面附近出現(xiàn)了獨(dú)特的線性色散現(xiàn)象，呈現(xiàn)出典型的狄拉克錐形能帶，因此，硅烯、鍺烯和錫烯也是二維狄拉克材料，這使其既具有金屬性又具有拓?fù)湫?，?dǎo)致其載流子遷移率非常高[36]。且室溫下錫烯電子只能沿材料邊緣快速運(yùn)動不能在材料內(nèi)部運(yùn)動，這種無熱損耗導(dǎo)電特性導(dǎo)致錫烯可調(diào)節(jié)成一種大能隙的二維拓?fù)浣^緣體[37]。此外，硅烯也是一種二維拓?fù)浣^緣體，在光誘導(dǎo)下會發(fā)生拓?fù)湎嗟母淖?，其邊緣模式是各向異性的[38, 39]。

但硅/鍺/錫烯的零帶隙嚴(yán)重限制了它的實(shí)際應(yīng)用，針對這個問題，可通過表面功能化、缺陷、橫向量子局限等方法將其轉(zhuǎn)變成比較客觀的絕緣體，但這同時又會降低其載流子遷移率。因此，硅烯、鍺烯和錫烯類二維材料的研究和廣泛應(yīng)用也需要進(jìn)行計(jì)算材料學(xué)研究，確定其構(gòu)效關(guān)系。

2 結(jié)論

綜上所述，本文對幾種常見二維材料的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢進(jìn)行了分析總結(jié)，并概括了其存在的問題，建立了不同二維材料的晶體結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)計(jì)算并分析了這些材料的電子結(jié)構(gòu)和物化特性及其應(yīng)用，加深了人們對二維材料構(gòu)效關(guān)系和基本規(guī)律的認(rèn)識，揭示了計(jì)算材料學(xué)研究是二維材料的深入研究及其廣泛應(yīng)用需要解決的關(guān)鍵科學(xué)技術(shù)問題之一，為二維材料的系統(tǒng)深入研究和拓展應(yīng)用提供了研究思路和理論指導(dǎo)。今后，二維材料的研究可以從以下幾個方面繼續(xù)：(1) 深入二維材料的計(jì)算材料研究，明確其宏觀應(yīng)用與其微觀結(jié)構(gòu)和介觀尺寸之間的控制機(jī)制。(2) 繼續(xù)采用缺陷、摻雜或者復(fù)合等手段的競爭協(xié)調(diào)來調(diào)控二維材料的表面結(jié)構(gòu)，達(dá)到優(yōu)化其性質(zhì)，改善其功能和應(yīng)用的目的。(3) 進(jìn)一步拓展二維材料的應(yīng)用領(lǐng)域，特別是在高選擇性分離催化、新能源和環(huán)境凈化等領(lǐng)域?？傊?，二維材料的計(jì)算材料學(xué)研究仍處于初級發(fā)展階段，還有大量的二維材料的結(jié)構(gòu)特征及其性能和控制機(jī)制、應(yīng)用領(lǐng)域都亟待深入研究和探索，這些未知可能蘊(yùn)含著更大的潛在應(yīng)用前景。