石墨烯莫比乌斯结构的稳定性、电子结构和电子输运的研究

把一个纸条旋转180度，首尾粘在一起，就可以得到只具有一个面和一条边的莫比乌斯带。石墨烯是只有一个原子层厚度的二维晶体，具有和纸片类似的力学性质：在平行于平面的方向上很难被拉伸或压缩，但在垂直于平面的方向上却很容易弯曲。由石墨烯构成的莫比乌斯带会同时具有石墨烯的特性和特殊的拓扑性质，可能会展现出独特的物理性质。. 本课题将采用密度泛函理论、分子动力学和非平衡格林函数方法，系统研究石墨烯莫比乌斯带中缺陷、B和N掺杂的构型，及其对这一体系电子结构性质的影响，进一步研究完整的和具有缺陷的石墨烯莫比乌斯带的熔化和预熔化行为；最后我们将会研究石墨烯莫比乌斯带的电子输运性质，探讨B、N掺杂对体系输运性质调控的可行性。研究结果将会加深我们对碳元素的同素异形体的认识，对相关实验给出有意义的指导。

本项目的目标是基于密度泛函理论方法研究基于石墨烯的莫比乌斯带中的缺陷和电子输运性质以及探索调控硼、碳和氮元素构成的低维体系性质的方法。近来，石墨烯莫比乌斯带由于其特殊的拓扑性质（只有一个面和一个边）引起了科研人员的注意，开始对其物理和化学性质进行研究。我们成功的预测了石墨烯莫比乌斯带在不同长宽比下的结构及其磁性质和形成能。在此基础上进一步研究体系的缺陷和电子输运性质。对硼、碳和氮元素构成的低纬体系的吸附、掺杂和边缘饱和行为做系统的研究，这为研究石墨烯莫比乌斯带的相关性质做了知识积累。通过三年的研究，本项目完成了预定的任务。主要在以下方面取得了重要成果：（1）在石墨烯莫比乌斯带弯曲区域的单原子空位缺陷与碳纳米管中单原子空位缺陷的构型相同。最稳定的单原子空位缺陷出现在扭曲区域，这个缺陷具有新的构型：在缺陷的中心有一个sp3杂化的碳原子。通过分子动力学模拟证实，该缺陷在室温下是可以稳定存在的。（2）找到了碳纳米管电极与石墨烯莫比乌斯带之间能量最低的接触方式，并阐述了不同的电极接触方式和不同的接触距离对其电子结构性质的影响，研究了最稳定的接触构型下的电子透射谱。电极的接触会抑制边缘碳原子的磁矩，当电极与边缘连接的时候，在高于费米面的透射谱中发现了抑制现象；反之，电极与面中心连接会抑制低于费米面的透射谱。（3）以蒽分子为模型系统的研究了过渡金属原子与石墨烯片的相互作用，发现电荷转移决定了过渡金属原子的磁性质；指出了边缘碳原子的氢饱和状态对调控石墨烯纳米带边缘态和其电子输运性质的重要性。（4）通过理论模拟发现碳原子掺杂是调控硼氮纳米带的电子结构性质、磁性质和电子输运性质的非常有效的方法。这些结果表明，石墨烯莫比乌斯带具有特殊的缺陷结构和电子输运性质，分子电极的接触细节对分子器件的性质和电子输运行为具有很大的影响，吸附、掺杂和边缘饱和是调控硼、碳和氮元素构成的低纬体系性质的有效方法，对相关的实验和理论工作具有重要参考价值。累计共发表受项目资助的论文7篇，其中影响因子3.0以上的有4篇。另有一篇在投，一篇在整理中。