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石墨烯之魂3: C-C 单键及电子行为

已有 5341 次阅读 2011-6-2 11:42 |个人分类:石墨烯|系统分类:论文交流|关键词:金刚石,狄拉克,石墨烯,纳米管,缺陷,边界态| 金刚石, 石墨烯, 缺陷, 狄拉克, 纳米管

通过(键驰豫)理论, (DFT, TB)计算,与(XPS, workfunction, Raman,vacuum melting, TEM, AFM elasticity measuremts 等)实验的结合,我们获得如下系列自洽的结果和认知,仅供有共同志趣的同仁切磋分享:
 
1。 C-C 键随原子配位数的降低而自发变短(by <=30%) 和增强(by <=160%)。
2。 键长和键能的驰豫导致电荷、能量和质量的局域致密和钉扎以及边界非(悬)键单电子的极化.
3。 单键力常数可达1000 eV/m; 德拜温度从金刚石的2000K降至 600K。
4.  体弹模量由金刚石的1.0 TPa增至 2.6 TPa; 熔化温度从金刚石的3800K降至1593K.单层有效厚度为 0.142 nm。
5。 扶手椅形和重构锯齿形(5,7 原子环)边界的石墨烯的半导体特性源于准双键在最近邻(长度为d)的边界原子间的产生。
6.  锯齿形边界的石墨烯和原子空位的金属特性及狄拉克费米子的选择性产生源于边界等距(长度为sqrt(3)d)悬键电子的极化。
7.  狄拉克费米子具有非零自旋(未对电子),弱结合能(极化杂质态)、极小的有效质量和极大的群速度。
8.  由于弱作用,狄拉克费米子既不显著贡献哈密顿量又不占据哈密顿量所确立的色散关系而是狄拉克色散。
9.  氢原子与悬键电子结合成键淹没狄拉克费米子。
10.  纳米碳管可近似为无边界的石墨烯。
11.  所有这些皆起源于泡令-歌德施密特的“原子半径随配位数减少而收缩”的原理及其拓展 - 键弛豫理论。
12.  有关拉曼和选区XPS研究正在深入,结果待续。
尤其值得关注的是:
13.  边界极化态可能带来更多让人费解的新奇特性,有如超导,热电,拓扑绝缘体,等 - 期待中 。。。
14.  从键与非键的形成,断裂,振动,弛豫以及相应的电子转移,极化,局域化和致密化的动力学过程以及对材料物性的角度出发进行材料科学研究可能成为必然。
  
主要参考文献:
 
Underneath the fascinations of carbon nanotubes and graphene nanoribbons. Energy & Environmental Science, 2011; 4: 627-655.
 
Discriminative generation and hydrogen modulation of the Dirac-Fermi polarons at graphene edges and atomic vacancies. Carbon, 2011; doi:10.1016/j.carbon.2011.04.064.
 
Graphene nanoribbon band-gap expansion: Broken-bond-induced edge strain and quantum entrapment. Nanoscale, 2010; 2: 2160-2163.
 
Dominance of Broken Bonds and Unpaired Nonbonding pi-Electrons in the Band Gap Expansion and Edge States Generation in Graphene Nanoribbons. J Chem Phys C, 2008; 112: 18927-18934.
 
Coordination-Resolved C-C Bond Length and the C 1s Binding Energy of Carbon Allotropes and the Effective Atomic Coordination of the Few-Layer Graphene. J Chem Phys C, 2009; 113: 16464-16467.
 
Dimension, strength, and chemical and thermal stability of a single C-C bond in carbon nanotubes. J. Phys. Chem. B, 2003; 107: 7544-7546.
 
 



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