硅烯、锗烯纳米材料的功能性设计及其调控机理研究

As the Ⅳ group graphene-like nanomaterials, silicene, germanene have a series of novel properties similar to or even better than graphene. Wide application prospect can be achieved through the performance modulation and functional design. The first-principles methods would be used to systemically study the formation mechanism and the basic performance of silicene, germanene. The effects of modulations (e.g., metal substrates, electronic field, vacancy defect and hydrogenation saturation) on the atomic, electronic structures and magnetic properties of the systems would be explored. From the atomic level and electronic structure, the structural stability and surface reactivity of systems would be comparably studied through modifications using the metal/non-metal atoms adsorption and functional group, etc., aiming to explore the performances regularity and reaction mechanism. Moreover, we will study the adsorption and reactions of gas molecules on the modified systems and hence obtain the gas sensitivity and catalytic performance. The results are expected to provide guidance for the functional design and application of the graphene-like nano-devices.

硅烯和锗烯作为Ⅳ族类石墨烯纳米材料具有诸多类似甚至优于石墨烯的奇特性质，通过性能调控可以使其具有更广泛的应用前景。本项目拟采用第一性原理方法对硅烯和锗烯的形成机理及其基本物性进行系统研究，探讨金属衬底、外加电场、空位缺陷、氢原子饱和对体系的原子/电子结构、磁性的影响。从原子和电子层面对比分析金属/非金属原子吸附、官能团修饰对体系的结构稳定性和表面活性的影响，探究不同方式调制体系性能的规律性，并在此基础上进一步研究气体分子在性能调控的硅烯和锗烯体系上的吸附和反应过程，从电子结构方面探寻其气敏和催化性能的微观机理，以期为类石墨烯纳米器件的设计和应用提供理论依据。

近年来，类石墨烯纳米材料由于其独特的结构和电子特性引起了众多研究人员的广泛关注，在光电器件、催化、气敏传感器等多个领域具有广泛的应用价值。本项目在研究本征石墨烯结构和性能的基础上，采用第一性原理方法较系统地研究了外加电场、金属衬底、官能团、金属/非金属原子修饰多种类石墨烯纳米材料的原子/电子结构和磁性变化。主要研究内容包括：不同种类的金属/非金属原子掺杂和官能团修饰/气体分子吸附来调制完整/空位缺陷结构石墨烯体系的原子结构/电子特性；观察在改性石墨烯材料表面进行多种形式的催化氧化反应过程(一氧化碳氧化、氧分子解离、水分子(H2O)、甲烷(CH4)和硫化氢(H2S)等气体分子的吸附与分解)，以探究体系的催化活性和应用范围；通过外加电场、多种金属原子掺杂等方式来调控不同体系(MoTe2, PbI2/BN, MoS2/WS2, phosphorene等)的电子、光学特性与磁性变化；观察CO，NO2和NO等小气体分子吸附对MoS2和C3N缺陷结构的修饰以及金属掺杂对其电子结构和催化性能的调控机理。理论研究发现：外加电场和压强能够有效地调控MoTe2/MoS2等体系的电子结构和磁性变化，使得体系中电荷重新分布表现出金属/半金属等特性；体系中掺杂的单个/多个金属原子作为活性位能够有效地促进催化氧化反应的快速进行，相比富氧的环境，氢原子/分子能够减小催化剂表面碳沉积的数量、抑制硫中毒现象。相比贵金属催化剂，一氧化碳催化氧化反应在非金属/非贵金属原子修饰的类石墨烯表面进行的能量势垒较小，以上研究为设计类石墨烯基功能纳米材料提供参考。