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材料學(xué)院王前團(tuán)隊(duì)發(fā)表頂刊綜述：五邊形二維材料“碳”在材料科學(xué)與納米技術(shù)中的領(lǐng)頭羊作用

北京大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院王前教授課題組長(zhǎng)期致力于新型碳材料的模擬設(shè)計(jì)及其性能研究。自2015年課題組提出碳的二維新型同素異形結(jié)構(gòu)“penta-graphene（五邊形石墨烯）”【Proc. Natl. Acad. Sci. 112, 2372 (2015)】以來(lái)，五邊形石墨烯不僅因其獨(dú)特的幾何構(gòu)型和新奇的性質(zhì)受到廣泛關(guān)注，而且為其它五邊形二維材料的設(shè)計(jì)提供了新的原子結(jié)構(gòu)模型。迄今為止，提出了130余種以五邊形為結(jié)構(gòu)單元的二維新材料，其中，采用實(shí)驗(yàn)方法合成了五邊形二硒化鈀、五邊形二氮化鎳及五邊形硅烯納米帶等。

在新興的五邊形二維材料領(lǐng)域，王前課題組取得了一系列研究進(jìn)展：揭示了五邊形石墨烯與石墨烯相比具有低晶格熱導(dǎo)的物理機(jī)理【Carbon105, 424 (2016)】，展現(xiàn)了五邊形石墨烯在場(chǎng)效應(yīng)管中的應(yīng)用前景【Appl. Phys. Lett. 111, 073503(2017)、ACS Appl. Electron. Mater. 2, 2535 (2020)】，理論預(yù)測(cè)了具有高居里溫度鐵磁性的五邊形二維材料【Appl. Surf. Sci. 505, 144620 (2020)，該論文被Advances in Engineering選為Key Scientific Article】，提出了穩(wěn)定五邊形硅烯的物理機(jī)理與方法【Phys. Rev. Appl. 11, 064063 (2019)】，闡明了五邊形二維材料中出現(xiàn)強(qiáng)二次諧波產(chǎn)生極化率的機(jī)理【Adv. Theory Simul.3, 202000027 (2020)】、提出了在五邊形二維材料中實(shí)現(xiàn)本征壓電性【J. Phys. Chem. Lett. 11 3501 (2020)】和實(shí)現(xiàn)內(nèi)稟極化的新架構(gòu)【npj Comput. Mater. 8, 40 (2022)】等等。
由于在五邊形二維材料領(lǐng)域所做出的開(kāi)拓和引領(lǐng)性研究工作，王前課題組應(yīng)邀撰寫了題為“Research Progress on Penta-Graphene and its Related Materials” 和“Pentagon-Based 2D Materials: Classification, Properties and Applications”的綜述文章，近日分別發(fā)表于Nano Today和Physics Reports。前者側(cè)重于五邊形石墨烯及其衍生體系、單組元五邊形二維結(jié)構(gòu)，總結(jié)了五邊形石墨烯新奇的性質(zhì)，包括負(fù)泊松比、高理想強(qiáng)度、壓電性、光學(xué)、熱輸運(yùn)以及不同理論方法計(jì)算對(duì)其電子能帶結(jié)構(gòu)和電子遷移率的研究等，概述了五邊形石墨烯衍生物，如五邊形碳納米帶、納米管、多層五邊形石墨烯及以五邊形為結(jié)構(gòu)基元的三維類金剛石材料（如圖一所示），以及同族元素硅、鍺形成的五邊形二維材料的物理化學(xué)性質(zhì)及應(yīng)用前景。而后者側(cè)重于二元和三元五邊形二維材料的數(shù)學(xué)模型、分類、特性及其應(yīng)用，根據(jù)五邊形二維材料的幾何結(jié)構(gòu)及其空間群對(duì)稱性，我們將迄今為止發(fā)現(xiàn)的130余種五邊形二維材料分為三大類，即以penta-graphene為代表的α相、以penta-PdSe2為代表的β相和以penta-NiN2為代表的γ相（如圖二所示）；并基于“結(jié)構(gòu)-性能”原則，總結(jié)了各類材料在力學(xué)、電子結(jié)構(gòu)、磁性、晶格熱導(dǎo)率、壓電性、線性光學(xué)、非線性光學(xué)、鐵彈性等方面的共性與特性；概述了不同相態(tài)的五邊形二維材料在機(jī)械、自旋電子學(xué)、催化、微納電子器件及能源儲(chǔ)存與轉(zhuǎn)化領(lǐng)域的應(yīng)用；對(duì)基于五邊形二維材料的實(shí)驗(yàn)制備、器件設(shè)計(jì)、團(tuán)簇基五邊形二維材料的設(shè)計(jì)、先進(jìn)計(jì)算方法的應(yīng)用等方面也做出了展望。

圖1 五邊形石墨烯衍生物的構(gòu)型。

圖2 五邊形二維材料不同構(gòu)型的分類及每種類別代表性結(jié)構(gòu)的俯視和側(cè)視圖。

這兩篇綜述論文全面、系統(tǒng)、深入地總結(jié)了自2015年五邊形石墨烯提出以來(lái)五邊形二維材料領(lǐng)域中的重要研究進(jìn)展，展示了“碳”在材料科學(xué)與納米技術(shù)中的領(lǐng)頭羊作用。這兩篇文章的第一作者分別是王前課題組2020級(jí)博士研究生Muhammad Azhar Nazir和2018級(jí)博士研究生沈祎恒，通訊作者為王前。

該工作得到科技部國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金委和北京大學(xué)高性能計(jì)算平臺(tái)的支持。

轉(zhuǎn)自《北京大學(xué)新聞網(wǎng)》



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