最小蛋托形二维笼状石墨烯:一项第一性原理研究

合成碳同素异形体的蓬勃发展领域见证了诸多新二维超薄结构的理论提出与实验合成,这些结构通常通过在石墨烯中精心排布非六边形 $\mathrm{sp^2}$ 缺陷来实现。此处,我们将棱锥 $\mathrm{sp^3}$ 杂化引入 $\mathrm{sp^2}$ 网络,提出一种具有笼状图案且呈最小蛋托形的新碳多晶型物(称为笼状石墨烯)。其四方原胞中八个对称等价的 $\mathrm{sp^2}$ 碳原子与两个对称等价的 $\mathrm{sp^2}$ 碳原子构成两个垂直取向的矩形和四个桥接六边形。尽管键长与键角发生畸变,四元环与六元环的平面几何均得以保留。高比例的轻微畸变六边形使这一亚稳 $\mathrm{sp^2}$-$\mathrm{sp^3}$ 同素异形体在能量上可与纯 $\mathrm{sp^2}$ 的 $T$-石墨烯和五石墨烯相媲美。详尽的第一性原理计算确认了其动力学与弹性稳定性,揭示了未应力样品具有 0.90 eV 间接带隙的半导体性质,并提示了一种巨大的应变调控效应,赋予其从金属到半导体可调的多样电子性质。此外,我们在费米能级附近观察到多个范霍夫奇点。这些显著性质或暗示潜在的纳米电子学应用。这些发现有助于理解二维碳同素异形体的结构-性质关系,并有助于寻找新的碳多晶型物。