非均匀应变石墨烯纳米结构的电性、自旋磁性及其调控研究

应变调控半导体性质已经成为微电子技术进入纳米尺度后必须的工艺技术。纳米结构中的应变局域化更强，应变场的非均匀性非常突出,但非均匀应变下半导体材料的理论认识和实验积累至今十分缺乏。石墨烯具有优异的力学性能，是柔性电子技术的理想材料，然而均匀应变很难显著改变其电子性质，非均匀应变却对其功能性质影响显著。广泛存在的缺陷态、边缘态、基底等因素使得非均匀应变对石墨烯纳米结构性能的影响更为突出，但问题更为复杂。本项目将率先发展用于研究石墨烯非均匀应变效应的物理力学建模技术和计算方法，开展非均匀应变下石墨烯、缺陷石墨烯、石墨烯纳米带和量子点等结构的电、磁性质及其应变调控研究，发展非均匀应变调控原理。进而，在先进的理论预测指引下，利用所在实验室的先进条件，实验探索非均匀应变石墨烯结构的表征与性能调控技术，提出至少一种石墨烯基力-电调控器件原理，为发展高性能石墨烯器件技术提供科学基础。

本项目组采用连续介质力学，分子力学与量子力学等不同层次方法，结合辅助实验对石墨烯、氮化硼等低维纳米材料的应变调控，结构相变和功能化等基础前沿问题进行了系统、深入研究；对固体基底上石墨烯的流电耦合，单层二硫化钼在电子束轰击下的结构演化以及石墨烯和氮化硼的杂化纳米结构特性等应用基础问题进行了专门研究。本项目研究发现了绝缘基底上石墨烯新的动电效应，提出了双电层动边界驱动石墨烯内部电荷转移的流电耦合新机制；发现含周期性缺陷的石墨烯电子能隙有类似于碳纳米管电性-手性关系的变化规律。揭示了氮化硼纳米结构电子性质的应变调控原理，建立了氮化硼若干结构-功能关系并形成了功能化的理论基础；探索了二维硫化钼在不均匀电子束轰击下的结构演化规律并解析出所得到纳米带的原子结构。本项目研究成果拓展了二维纳米材料力与功能的关系，为实现功能导向的纳米器件提供了知识储备。在本项目的支持下，相关成果在Nature Nanotechnology, Nature Communications, Nano Letters, Nanoscale和Acta Mechanica Sinica等国际期刊上发表SCI论文14篇。