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一种新型二维半导体碳同素异形体：第一性原理研究

DOI：10.1016/j.carbon.2018.11.062 期刊：Carbon 出版年份：2018 更新时间：2025-09-10 09:29:36
摘要： 通过第一性原理方法对一种由六方晶胞中18个原子构成的新型二维碳同素异形体进行了理论研究。该同素异形体具有P6/mmm对称性（命名为hP-C18碳）。这种新型二维碳相呈现sp2-sp3杂化网络结构，由邻近原子形成的六边形和八边形构成。计算表明，与石墨烯相比hP-C18碳属于亚稳态二维碳相，但其能量稳定性高于五边形石墨烯。通过声子色散、第一性原理分子动力学模拟和弹性常数分别验证了其动力学、热力学及力学稳定性。电子能带结构分析显示hP-C18是带隙为2.93 eV（HSE06）的间接带隙半导体。此外还预测了其褶皱三维结构hP-C18-3D碳，通过声子色散和弹性常数讨论了该新三维相的稳定性。研究发现hP-C18-3D碳是带隙为2.24 eV（HSE06）的超硬间接带隙半导体。因此hP-C18碳及其褶皱三维结构不仅可能具有潜在的电子应用价值，还可应用于力学领域。
作者： Shujie Wang，Jiagen Li，Xi Zhu，Min Wang
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研究概述 实验方案

研究目的

采用第一性原理计算方法，从理论上研究一种新型二维半导体碳同素异形体hP-C18碳及其褶皱三维结构hP-C18-3D碳的结构、动力学、热学、力学和电子性质。

研究成果

研究表明，hP-C18碳是一种具有独特sp2-sp3杂化网络的亚稳态二维碳相，展现出动力学、热力学及机械稳定性。该材料为带隙2.93电子伏特（HSE06）的间接半导体。其褶皱三维结构hP-C18-3D碳也被预测为带隙2.24电子伏特（HSE06）的超硬间接半导体。这两种结构在电子和机械应用领域均具潜力。

研究不足

该研究属于理论性研究，依赖于计算模型，可能无法完全反映所有现实条件或潜在的合成挑战。hP-C18碳及其三维结构的实际合成仍有待实验验证。

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