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材料學院王前團隊發表頂刊綜述：五邊形二維材料“碳”在材料科學與納米技術中的領頭羊作用

北京大學材料科學與工程學院王前教授課題組長期致力于新型碳材料的模擬設計及其性能研究。自2015年課題組提出碳的二維新型同素異形結構“penta-graphene（五邊形石墨烯）”【Proc. Natl. Acad. Sci. 112, 2372 (2015)】以來，五邊形石墨烯不僅因其獨特的幾何構型和新奇的性質受到廣泛關注，而且為其它五邊形二維材料的設計提供了新的原子結構模型。迄今為止，提出了130余種以五邊形為結構單元的二維新材料，其中，采用實驗方法合成了五邊形二硒化鈀、五邊形二氮化鎳及五邊形硅烯納米帶等。

在新興的五邊形二維材料領域，王前課題組取得了一系列研究進展：揭示了五邊形石墨烯與石墨烯相比具有低晶格熱導的物理機理【Carbon105, 424 (2016)】，展現了五邊形石墨烯在場效應管中的應用前景【Appl. Phys. Lett. 111, 073503(2017)、ACS Appl. Electron. Mater. 2, 2535 (2020)】，理論預測了具有高居里溫度鐵磁性的五邊形二維材料【Appl. Surf. Sci. 505, 144620 (2020)，該論文被Advances in Engineering選為Key Scientific Article】，提出了穩定五邊形硅烯的物理機理與方法【Phys. Rev. Appl. 11, 064063 (2019)】，闡明了五邊形二維材料中出現強二次諧波產生極化率的機理【Adv. Theory Simul.3, 202000027 (2020)】、提出了在五邊形二維材料中實現本征壓電性【J. Phys. Chem. Lett. 11 3501 (2020)】和實現內稟極化的新架構【npj Comput. Mater. 8, 40 (2022)】等等。
由于在五邊形二維材料領域所做出的開拓和引領性研究工作，王前課題組應邀撰寫了題為“Research Progress on Penta-Graphene and its Related Materials” 和“Pentagon-Based 2D Materials: Classification, Properties and Applications”的綜述文章，近日分別發表于Nano Today和Physics Reports。前者側重于五邊形石墨烯及其衍生體系、單組元五邊形二維結構，總結了五邊形石墨烯新奇的性質，包括負泊松比、高理想強度、壓電性、光學、熱輸運以及不同理論方法計算對其電子能帶結構和電子遷移率的研究等，概述了五邊形石墨烯衍生物，如五邊形碳納米帶、納米管、多層五邊形石墨烯及以五邊形為結構基元的三維類金剛石材料（如圖一所示），以及同族元素硅、鍺形成的五邊形二維材料的物理化學性質及應用前景。而后者側重于二元和三元五邊形二維材料的數學模型、分類、特性及其應用，根據五邊形二維材料的幾何結構及其空間群對稱性，我們將迄今為止發現的130余種五邊形二維材料分為三大類，即以penta-graphene為代表的α相、以penta-PdSe2為代表的β相和以penta-NiN2為代表的γ相（如圖二所示）；并基于“結構-性能”原則，總結了各類材料在力學、電子結構、磁性、晶格熱導率、壓電性、線性光學、非線性光學、鐵彈性等方面的共性與特性；概述了不同相態的五邊形二維材料在機械、自旋電子學、催化、微納電子器件及能源儲存與轉化領域的應用；對基于五邊形二維材料的實驗制備、器件設計、團簇基五邊形二維材料的設計、先進計算方法的應用等方面也做出了展望。

圖1 五邊形石墨烯衍生物的構型。

圖2 五邊形二維材料不同構型的分類及每種類別代表性結構的俯視和側視圖。

這兩篇綜述論文全面、系統、深入地總結了自2015年五邊形石墨烯提出以來五邊形二維材料領域中的重要研究進展，展示了“碳”在材料科學與納米技術中的領頭羊作用。這兩篇文章的第一作者分別是王前課題組2020級博士研究生Muhammad Azhar Nazir和2018級博士研究生沈祎恒，通訊作者為王前。

該工作得到科技部國家重點研發計劃、國家自然科學基金委和北京大學高性能計算平臺的支持。

轉自《北京大學新聞網》



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