npj: 蛋盒石墨烯—奔向电子材料的基础性突破

石墨烯之所以容易折叠和形成皱褶是由于它只由一个原子层组成，正如一张纸容易打皱变形一样。可是当把一个纸板压制成有着高低起伏波纹状结构，形如超市中用来盛装鸡蛋的纸板盒的时候，其力学强度和性能就会瞬间得到大幅度的提升。那么关键的问题是能否在石墨烯的六角蜂窝状原子晶格上构建出鸡蛋盒样的几何形态。

由美国加州州立大学北岭分校苗茂生教授、北京计算科学研究中心的林海清教授和吉林大学的刘靖尧教授共同组成的研究团队，对这一有趣的重要问题展开了多年的理论计算研究。这一课题的主要承担人是目前任教于浙江农林大学理学院的刘伟副教授。他们首先注意到，石墨烯中的五元环和七元环缺陷能够使石墨烯片层产生不同的拓扑形变，包括极大、极小值点和鞍点。如果把这些缺陷有规律地排布，就能让石墨烯形成类似鸡蛋盒的几何形变。通过改变缺陷的密度和排布方式，各种不同形态的蛋盒石墨烯都可以被构造出来。利用第一性原理计算方法，刘伟副教授和他的合作者们研究了一系列蛋盒石墨烯的稳定性，以及力学性质和电子结构。他们发现这些新型石墨烯同素异形体独特的几何形态使得该类材料具有更高的力学强度和各异的电子性能。对应于不同的几何形态，蛋盒石墨烯可以是半金属，也可以是具有直接或间接带隙的半导体。还有一些蛋盒石墨烯的能带结构中具有狄拉克锥结构。值得注意的是，除了提高力学强度外，一些蛋盒石墨烯还显示出负的泊松比，即当蛋盒石墨烯在沿原子层平面内某一方向受压的时候，它在该方向上以及原子层平面内该方向的垂直方向上都会发生收缩。该项研究工作提出了一种有效改善石墨烯力学和电子性能的新方法，可为实现更多具有优良或独特性能的新型石墨烯基材料的设计提供进一步的理论指导。

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