类石墨烯二硫化钼的第一性原理研究 - 图文(3)

湘潭大学博士学位论文

1.2.1 石墨烯和类石墨烯结构的概述

不同于三维的母体材料，二维原子晶体的维度受限将引起小尺寸效应、量子限域效应和表面效应，从而表现出新颖的结构特性和独特的物理性质。A.K. Geim和I.V.

Grigorieva在其最近发表的综述性论文中给出了类石墨烯二维结构家族谱，他们将其分为石墨烯家族、硫族化合物和氧化物等三大类，如图1-1所示。

图1-1 类石墨烯二维结构家族[16]

下面我们仅对石墨烯和h-BN、拓扑绝缘体、过渡族金属二硫化物（MX2）等几种常见的类石墨烯二维结构进行介绍（其中石墨烯和h-BN已经有了大量报道，因此在这里对这两类只做简要概述）。

（1）石墨烯

石墨烯是由一层碳原子构成的二维结构，碳原子完全是由sp2杂化形式存在，且排列方式满足二维的复式六角晶格。石墨烯的每一个原胞内都包含两个碳原子，因此石墨烯也可以看成由两组具有平面六角对称性的子晶格组成。在平面内，石墨烯的每个碳原子与周围的三个近邻碳原子形成σ共价键，而在垂直平面方向则是与相邻两碳原子之间形成π键，整个石墨烯垂直于平面的p态电子形成π网格。

由于以上描述的独特结构，使得石墨达到单个原子层时石墨烯的诸多性质都表现优异。如石墨烯的带隙为零，是一个良导体；具有良好的热稳定性；很好的导电性以及较大的比表面积。石墨烯展现出来的优异和独特的性质，使得石墨烯在微纳光电子器件、能量转换与存储等很多领域都得到了广泛地应用。

（2）六角氮化硼（h-BN）

具有类似石墨层状结构的三维六角氮化硼（h-BN），是氮化硼在自然界唯一存在的结晶相，属于六方晶系，层内原子之间进行sp2杂化，B原子和N原子通过共价键结合，层间则通过弱的范德瓦耳斯力相互作用的。H-BN的晶格常数a为2.504 ?，而c等于6.65 ?。h-BN是由B原子和N原子交替排列的六角的蜂窝状结构，形成

3

万方数据类石墨烯二硫化钼的第一性原理研究

ABAB…堆垛结构。

单层和少层的h-BN结构与石墨烯非常相似，因此被俗称为“白石墨烯”，但其禁带宽度高达5.97 eV，具有极好的绝缘性和高温介电特性。

（3）Z2类拓扑绝缘体

2009年张守晟和方忠等人通过计算材料Bi2Se3、Bi2Te3、Sb2Te3和Sb2Se3的能带发现Bi2Se3、Bi2Te3、和Sb2Te3的表面态都具有单个狄拉克锥，是一种典型的新三维拓扑绝缘体[17]。这类拓扑绝缘体材料首先具有纯的化学相，容易合成且结构简单；其次它们的表面电子结构简单更便于其表面态的深层次研究；此外体系禁带较大，如Bi2Se3 的禁带达到0.3 eV，给这类材料在室温下的研究和应用提供了可能。这种强的拓扑绝缘体在实验上也被成功的制备和验证。

图1-2 Bi2Se3的晶体结构和布里渊区[18]

图1-2给出了Z2类拓扑绝缘体中最有代表性的Bi2Se3晶体结构和布里渊区特征

[18]

。Bi2Se3由于其带隙附近独特的电子结构和高的热电性能在传统研究中是一种优

质的热点材料。这种材料拥有空间群为的斜方六面体结构。如图1-2所示，它的基本单元中有三个Se原子和两个Bi原子，其中Se原子有两个不等效的位置Se1和Se2。通常六角原胞是由三个基本单元通过较弱的van der Waals作用叠加而成的一种层状材料，每个基本单元称为一个QL(quintuple layer)。每个QL内，五个原子按

Se1-Bi-Se2-Bi-Se1的顺序排列，层内原子间通过共价键结合。

方忠、戴希和张守晟教授从理论和计算上研究了Bi2X3这类材料之所以成为强拓

4

万方数据湘潭大学博士学位论文

扑绝缘体的物理机制，并给出了描述其狄拉克点（Dirac cone）的KP哈密顿量，并通过计算得到了它们相应的类APRES能谱，从理论上预言了这类强拓扑绝缘体的存在[17]。