基于二维联苯网络的单石墨炔层：结构、力学与电学性能的突破性研究

石墨烯在纳米电子器件应用中潜力巨大，却因缺乏带隙受限。研究人员针对此，开展基于二维联苯（BPN）网络的石墨炔（GY）系统研究。结果表明，该系统有自旋极化半导体构型等特性。这为纳米电子和自旋电子学应用提供了新方向。

　　在科技飞速发展的当下，纳米材料领域备受瞩目，其中石墨烯更是凭借独特的性能成为研究热点。然而，石墨烯就像一个被上帝咬了一口的苹果，虽然拥有出色的电学、力学等诸多优异性能，在纳米电子器件应用方面潜力无限，但缺乏带隙这一缺陷，极大地限制了它的进一步发展。就好比一辆性能卓越的跑车，却因为关键部件的缺失，无法在赛道上尽情驰骋。为了弥补这一短板，科研人员们开启了一场探索之旅，他们尝试从多个方向寻找解决方案，如对石墨烯进行掺杂、引入缺陷、制备纳米带等，但这些方法都存在一定的局限性。在此背景下，开发具有不同结构的二维碳材料，如石墨炔（GY），成为了极具潜力的研究方向。

为了解决石墨烯带隙缺失的问题，探索新型二维碳材料的性能，研究人员开展了关于基于二维联苯（BPN）网络的石墨炔系统的研究。研究成果发表在《Carbon Trends》上，为该领域的发展带来了新的曙光。

在这项研究中，研究人员主要运用了以下关键技术方法：基于密度泛函理论（DFT）的计算，采用 SIESTA 代码进行模拟，利用 Troullier - Martins 赝势处理核心电子，以双 ζ 极化（DZP）基组描述价电子，通过广义梯度近似（GGA）的 Perdew - Burke - Ernzerhof（PBE）方法考虑交换关联能；使用 HONPAS 软件包结合 Heyde - Scuseria - Ernzerhos 混合泛函（HSE06）进行额外的电子能带结构计算；运用基于 DFT 的 GPAW 代码结合 PHONOPY 软件包进行声子能带结构计算；通过 Born - Oppenheimer 分子动力学（BO - MD）模拟评估系统的热稳定性。

研究结果如下：

• 结构细节：BPN 是一种由联苯分子组装而成的全 sp²碳基系统，而 α - BPNGY 则是在 BPN 的基础上，在每对最近邻碳原子间插入最小炔烃链构建而成。相较于 BPN，α - BPNGY 的晶格参数发生了变化，键长范围变窄，键角更接近石墨烯中碳原子的键角，这使得非六边形环在 α - BPNGY 结构中能更好地适应，相关数据都详细记录在研究中。
• 稳定性：通过计算形成能评估 α - BPNGY 的稳定性，从不同角度定义形成能（E₁^form和 E₂^form）与其他系统对比，发现其稳定性情况。同时，声子能带结构显示该系统无虚频，表明其动力学稳定；BO - MD 模拟在 400K 下进行 10ps，未观察到键的断裂或形成，系统的 Lindemann 指数也证明了其在该温度下的稳定性；弹性张量计算表明 α - BPNGY 满足 Born - Huang 准则，是机械稳定的材料。
• 机械性能：对比 α - BPNGY 和 BPN 的弹性常数，发现 α - BPNGY 的弹性张量分量显著小于 BPN，具有更高的柔韧性。计算 Young’s 模量（Y）和 Poisson’s ratio（ν）发现，α - BPNGY 的 Y 值较低，ν 值更显著，表现出比 BPN 更高的延展性，且与其他类似结构相比，α - BPNGY 具有独特的各向异性和高延展性。
• 电子性能：BPN 在非自旋极化（NP）状态下是金属性的，自旋极化（SP）状态下虽自旋简并但能带结构有变化。α - BPNGY 在 NP 状态下也是金属性的，其电子结构具有靠近费米能级的一对平坦能带，这体现了系统的各向异性，且这些平坦能带主要分布在四方环原子上。SP 计算显示 α - BPNGY 为自旋不平衡构型，形成反铁磁类型的配置，具有零总磁矩，且从 NP 到 SP 状态，平坦能带的分裂增加，出现了 0.15eV 的带隙。

研究结论和讨论部分指出，该研究提出的基于 BPN 网络的 α - BPNGY 系统具有独特的结构、稳定的性能以及特殊的电子性质。其自旋极化半导体构型在纳米电子学和自旋电子学领域展现出巨大的应用潜力，为新型碳基材料的设计和应用提供了重要的理论依据。这一研究成果不仅加深了人们对二维碳材料的理解，还为后续相关领域的研究开辟了新的道路，有望推动纳米电子器件等领域的进一步发展。