近期，中科院合肥研究院固體所計(jì)算物理與量子材料研究部王賢龍課題組在穩(wěn)定高壓合成金剛石烯研究上取得新進(jìn)展，研究表明B和N摻雜不但能夠調(diào)控其電子結(jié)構(gòu)性質(zhì)（半導(dǎo)體、金屬、超導(dǎo)），而且能夠降低形成能，增強(qiáng)金剛石烯在常溫常壓下的穩(wěn)定性。相關(guān)研究結(jié)果以“Configurationstability and electronic properties of diamane with boron and nitrogen dopants ”發(fā)表在Physical Review B (Phys. Rev. B, 105, 174106 (2022))上。金剛石烯是由雙層石墨烯層間形成sp3鍵構(gòu)成的二維單層金剛石，由于其兼具石墨烯和金剛石的特性，有望發(fā)展成為和石墨烯并列的一類新型二維碳材料，可以用于電子器件的超薄保護(hù)涂層，在納米光電器件方面也具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。但是目前實(shí)驗(yàn)上通過在高壓下壓縮雙層石墨烯合成的金剛石烯，在撤壓后均轉(zhuǎn)變回了石墨烯，很難在常溫常壓下穩(wěn)定存在。

  為此，研究人員基于第一性原理方法研究了立方和六方金剛石烯不同摻雜形式的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，摻雜能夠降低金剛石烯的形成能，促進(jìn)金剛石烯的合成并提升其在常溫常壓環(huán)境下的穩(wěn)定性?；诖耍芯咳藛T提出通過壓縮一層摻雜B原子另一層摻雜N原子的雙層石墨烯獲得的金剛石烯最穩(wěn)定。通過壓縮N摻雜雙層石墨烯來合成金剛石烯在實(shí)驗(yàn)上最容易實(shí)現(xiàn)，因?yàn)榇藭r(shí)的形成能不依賴于摻雜原子的分布形式。此外，摻雜原子在不同的替代位會(huì)呈現(xiàn)出不同的電子結(jié)構(gòu)（半導(dǎo)體、金屬、超導(dǎo)～4K），可以應(yīng)用于二維電子器件領(lǐng)域。這項(xiàng)工作為合成更穩(wěn)定、功能更強(qiáng)的金剛石烯提供了新途徑。

上述工作得到了國家自然科學(xué)基金的資助，所有計(jì)算在中科院超算中心合肥分中心完成。

  文章鏈接：https://journals.aps.org/prb/abstract/10.1103/PhysRevB.105.174106

  DOI: 10.1103/PhysRevB.105.174106

圖1. 立方（a）和六方（b）金剛石烯的結(jié)構(gòu)

圖2. 不同摻雜方式的形成能（壓縮雙層石墨烯合成金剛石烯）

圖3. 不同摻雜構(gòu)型的帶隙。單色的柱狀表示直接帶隙，有斜線的柱狀表示間接帶隙。紅色虛線和藍(lán)色虛線分別表示純的立方金剛石烯和六方金剛石烯的帶隙