二維材料是厚度僅為單層或多層原子的晶體材料。在這種材料中,電子可以自由地在二維平面中移動,而在第三方向上的運動受限制。二維材料首次發(fā)現(xiàn)于2004年,Manchester大學的Geim小組成功分離單原子層厚度的石墨材料——石墨烯（graphene）。自發(fā)現(xiàn)石墨烯以來,二維層狀碳材料就一直是材料研究的核心焦點。除石墨烯外,研究者們還陸續(xù)研發(fā)了幾種類石墨烯的同素異形體;迄今為止,其中有幾種已經(jīng)能夠在實驗中合成,部分已用于光伏,半導體,電極和生物監(jiān)測等應(yīng)用中。因此,對碳的二維同素異形體的搜索與研發(fā)具有非常積極的工業(yè)意義與物理意義。但目前尚缺乏對新型的二維碳材料理論性的系統(tǒng)探索。本論文在“材料基因組”的框架下,對二維碳的同素異形體整個構(gòu)型空間進行理論性、系統(tǒng)性地探索,尋找熱力學穩(wěn)定的二維碳材料,并豐富相關(guān)的計算材料數(shù)據(jù)庫。新材料結(jié)構(gòu)預(yù)測的傳統(tǒng)方法或基于數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)挖掘,或基于全局優(yōu)化,而這些方法都有其各自的局限性。本文使用了一種新方法—空間采樣方法,評估理論提出的平面碳同素異形體實驗實現(xiàn)的可能性。同素異形體在構(gòu)型空間中的出現(xiàn)頻率（frequency of occurrence）可衡量其在實驗中的... 

【文章來源】：西北大學陜西省 211工程院校

【文章頁數(shù)】：67 頁

【學位級別】：碩士

【部分圖文】：

制作石墨烯（A）通過透明膠帶技術(shù)在氧化的硅晶片上制備的石墨烯晶體

西北大學碩士學位論文41.407和1.447，以及四種不同的鍵角。biphenylene在5000K的高溫下依舊是穩(wěn)定的[15]。圖1.2二維碳同素異形體的晶格結(jié)構(gòu)[7]。(A)graphenylene;(B)penta-graphene;(C)twingrapene;(D)graphyne;(E)phagraphene;(F)biphenylene;(G)H18carbon1.4構(gòu)型空間構(gòu)型空間即晶體的結(jié)構(gòu)空間，在上述的1.3節(jié)中，每一個同素異形體都可以看作是碳構(gòu)型空間中的一個數(shù)據(jù)點。構(gòu)型空間的每個坐標軸對應(yīng)晶體結(jié)構(gòu)中的一個變量，這些變量包括原子位置和晶格矢量。從結(jié)構(gòu)-性質(zhì)關(guān)系的角度來解釋，是因為材料的性質(zhì)取決于其結(jié)構(gòu)，因此，結(jié)構(gòu)的預(yù)測是計算材料發(fā)現(xiàn)的關(guān)鍵[16]。新型計算工具的飛速發(fā)展使得越來越復雜的材料的結(jié)構(gòu)被預(yù)測[17-19]。主流的計算方法有兩種：一種是基于現(xiàn)有知識和晶體結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)挖掘；另一種是基于強大的計算機搜索算法，能夠在沒有經(jīng)驗的情況下進行結(jié)構(gòu)預(yù)測。與數(shù)據(jù)驅(qū)動方法相比，發(fā)現(xiàn)全新結(jié)構(gòu)的可能性是結(jié)構(gòu)預(yù)測的關(guān)鍵優(yōu)勢之一;而另一方面，即使數(shù)據(jù)挖掘不精確，也能以合理的計算成本提供合理的解決

第一章緒論5方案。下面是材料結(jié)構(gòu)預(yù)測的主要構(gòu)成元素：（1）勢能面（potentialenergysurface）與吸引盆（basinofattraction）。這是與本論文最為相關(guān)的概念，本論文即通過估計吸引盆的大小來推斷結(jié)構(gòu)的可合成性。勢能面示意圖如圖1.3所示。勢能面上的每一個點都對應(yīng)某個隨機生成的結(jié)構(gòu)的能量，密度泛函理論方法的結(jié)構(gòu)優(yōu)化即通過勢能面上最快下降的路徑達到局部最小值。某局部最小值“占據(jù)”是指該結(jié)構(gòu)在勢能面中的能量最低點，并且在其吸引盆中所有可能的原子構(gòu)型都將落入該最小值。通過估算吸引盆地的超體積大小，可以獲得某結(jié)構(gòu)出現(xiàn)頻率。現(xiàn)代超級計算機的計算能力，可以同時使勢能面中的數(shù)千個結(jié)構(gòu)同時優(yōu)化到局部最小值[20]。成功找到低能量結(jié)構(gòu)的概率取決于吸引盆形狀和大小以及搜索的細節(jié)[21-24]。通過增加條件可以提高搜索效率。例如，可以使用現(xiàn)有結(jié)構(gòu)、化學和物理信息的知識來確保搜索以一組化學上合理的結(jié)構(gòu)開始，同時保持大的隨機性。勢能面的信息能夠從能量圖直接獲得[25]。Stevanovic[24]將與每個局部極小值相關(guān)的相空間的體積與相應(yīng)結(jié)構(gòu)的合成可能性聯(lián)系起來。圖1.3勢能面示意圖。箭頭所示方向為能量。一般感興趣的屬性的全局最小值（最穩(wěn)定相）和局部最小值（亞穩(wěn)態(tài)相）。圖片來源于Internet，網(wǎng)址https://sites.google.com/site/janroshijakubik/my-research/molecular-modelling/potential-energy-surface.

【參考文獻】：
期刊論文
[1]Superconducting Single-Layer T-Graphene and Novel Synthesis Routes[J]. 顧琴燕,邢定鈺,孫建.  Chinese Physics Letters. 2019(09)
[2]MatCloud, a high-throughput computational materials infrastructure: Present, future visions, and challenges[J]. 楊小渝,王宗國,趙旭山,宋健龍,虞超,周嘉欣,李凱.  Chinese Physics B. 2018(11)



本文編號：3350118