原子尺度构建二维材料的第一性原理计算研究*

刘子媛 潘金波† 张余洋 杜世萱3)4)‡

1) (中国科学院物理研究所, 北京凝聚态物理国家研究中心, 北京 100190)

2) (中国科学院大学, 北京 100049)

3) (中国科学院拓扑量子计算卓越创新中心, 北京 100190)

4) (松山湖材料实验室, 东莞 523808)

1 引 言

原子制造技术是目前最前沿、最极限的材料和器件制造技术, 是未来高性能器件向运行速度更快、能耗更低、尺寸更小方向进一步发展的关键技术.功能导向的低维材料结构和物性的预测是原子制造技术上游最重要的部分之一.二维材料是指材料在两个维度方向上具有较大尺寸而在另外一个维度上仅存在有限尺寸厚度, 是低维纳米材料家族中的重要成员.

关于二维材料的研究可以追溯到2004 年, 单层自由状态的石墨烯首次在实验上成功剥离出来[1], 推翻了热涨落条件下不允许任何二维介质在有限温度下存在的认知误区.在此基础上, 研究人员提出了二维材料的概念.二维材料中载流子迁移、热量扩散均限制在二维平面内, 材料中受限电子、光子等呈现出许多与三维结构中不同的、物理内涵十分丰富的新奇量子现象[2]和效应.与传统三维材料不同, 二维材料能极大减弱与基底间的耦合, 为电场调控、化学修饰、异质结构建等提供了极大的便利; 二维材料通常是机械易弯曲的, 是发展柔性器件[3]的理想材料; 二维材料由于其超薄的厚度在未来原子层厚度的高集成度光、电、磁性器件等领域具有广泛的应用前景; 另外, 二维材料……