二維金剛石納米膜的結構演化及物性的理論與實驗研究

《二維金剛石納米膜的結構演化及物性的理論與實驗研究》是依託吉林大學，由李紅東擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：二維金剛石納米膜的結構演化及物性的理論與實驗研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：李紅東
• 依託單位：吉林大學

項目摘要

二維金剛石納米膜是近幾年來金剛石領域新的研究方向，具有重要的科學研究價值，而相關研究報導很少。不同於傳統的零維和一維納米金剛石，二維金剛石納米膜的結構和性質對其取向、層數、摻雜和表面功能化等具有強烈的依賴性，並且出現強的表面效應和量子尺寸效應。本項目擬利用基於密度泛函理論的第一性原理計算，深入、系統地研究取向、層數、摻雜、表面修飾等因素對二維金剛石納米膜的結構穩定性和演化的影響，並通過分析能帶結構、電子態密度和自旋磁矩等，獲得與結構相關的光學、電學及磁學性質變化規律。利用雷射轟擊剝離金剛石單晶及氫電漿處理石墨烯等製備方法，獲得一定尺寸、原子級厚度的二維金剛石納米膜。通過多種實驗手段對所製備的材料進行表征及性能測試，結合理論計算結果，揭示其不同於金剛石體材料和其他納米材料的結構和性質。本項目的實施，將為發現金剛石相關的新現象及拓展金剛石的研究領域提供新的理論依據和實驗數據。

結題摘要

二維金剛石納米膜是近幾年來金剛石領域新的研究方向，本項目組是國際上最早開展相關工作的單位之一。不同於傳統的零維和一維納米金剛石，二維金剛石納米膜的結構和性質對其取向、層數和表面功能化等具有強烈的依賴性，並且出現強的表面效應和量子尺寸效應，具有重要的科學研究和套用價值。本項目利用基於密度泛函理論的第一性原理計算，系統地研究(100)、(110)和(111)取向二維金剛石納米膜隨著層數的結構演化，並在二維金剛石納米膜表面進行氫化或氟化處理，及摻雜不同元素（矽、矽-空位等），並通過分析能帶結構、電子態密度和自旋磁矩等，獲得相關的光學、電學及磁學性質變化規律，揭示不同於體金剛石和其它納米結構材料的特性。利用CALYPSO晶體結構預測方法系統預測了金剛石（111）表面生長的菱形矽烯超結構和穩定的二維單層Bx/2Cx/2N1-x (0 ＜ x ＜ 1)化合物。利用雷射轟擊剝離金剛石單晶及電漿處理石墨烯等製備方法，初步獲得一定尺寸、原子級厚度的二維金剛石納米膜。將納米金剛石用於鋰離子電池負極及燃料電池電解質，有效提高了鋰離子電池及燃料電池的性能，擴展了低維金剛石的套用。本項目的實施中，發表SCI論文16篇，申請發明專利5項，獲授權發明專利4項。本項目的完成，對於發現金剛石相關的新現象及拓展金剛石的研究領域提供了重要的理論依據和實驗數據。