理學院材料物理團隊李林洋副教授聯合國內外相關課題組在國際高水平期刊Nano Energy (IF: 17.6, 1區TOP)上以“Hydrogenation-controlled band engineering of dumbbell graphene”為題發表重要研究成果。論文第一作者為我院的2022級碩士研究生宋雨璇，通訊作者為李林洋副教授。該工作得到比利時安特衛普大學François M. Peeters教授的合作支持。該研究工作通過理論計算提出了兩種新的啞鈴型石墨烯結構，并通過氫化的手段，針對其能帶進行調控，實現了包括平帶與拓撲態等多種新奇物理性質在內的能帶工程。研究論文的第一單位為河北工業大學理學院。

啞鈴型結構的穩定性已在先前的理論和實驗研究中得到證實。基于第一性原理計算，本論文提出了包含周期性凸起碳原子(CR)的六角啞鈴型石墨烯(HDB C10)和矩形啞鈴型石墨烯(RDB C10)。計算結果表明，它們都是具有高遷移率的半導體。通過在這些CR原子上吸附氫原子，它們的能帶結構可以進行廣泛的調控。當在啞鈴結構的單胞上對稱吸附兩個或四個氫原子時，可以增加帶隙。進一步添加或去除氫原子可以獲得孤立的平帶結構。值得注意的是，在HDB/RDB C10H2-I單層中發現兩種不同的Dirac能帶結構。HDB C10H2-I單層顯示出具有各向同性費米速度的Dirac cone，而RDB C10H2-I單層則顯示出沿高對稱路徑具有變化費米速度的準一維Dirac nodal line。為了深入理解DFT的計算結果，作者構建了包括最近鄰躍遷和次近鄰躍遷的緊束縛(TB)模型。TB模型與Su-Schrieffer-Heeger模型結合，能夠完全理解RDB C10H2-I單層的可調拓撲性質。該模型不僅解釋了六角和長方晶格不同費米速度的原因，還能夠準確預測拓撲邊界態的出現，為Dirac費米子的研究提供了一個很好的平臺。相比于石墨烯，HDB/RDB C10單層表現出更加自由的可調能帶性質和更穩定的儲氫能力，為能帶工程和儲氫應用的研究提供了理論依據。最后，本論文提供了這類啞鈴型單層在不同襯底上可能的實驗合成路徑，為實驗的進一步實現奠定了理論基礎。

Yuxuan Song, Mengteng Chen, Xiao Xie, Xiaobiao Liu, Jia Li, François M. Peeters, Linyang Li*, Hydrogenation-controlled band engineering of dumbbell graphene, Nano Energy 127 (2024) 109763. https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2024.109763

研究團隊簡介

    河北工業大學理學院材料物理團隊（團隊負責人：劉國棟教授）于2020年組建，是一支年輕有活力、科研實力雄厚的科研團隊。團隊致力于在低維納米材料中揭示磁性、多鐵、拓撲等物理性質，結合理論計算與實驗研究，構筑新的低功耗自旋電子學器件。截止目前，該團隊已經以河北工業大學理學院為第一或通訊單位在Advanced Materials, Nano Energy, Journal of Materials Chemistry A, Carbon, Physical Review B, Applied Physics Letters等期刊發表多篇高水平研究論文。團隊目前已經獲批包括國家自然科學基金、河北省自然科學基金等在內的多個項目資助。