Graphene and graphane: New stars of nanoscale electronics
Julia Berashevich, Tapash Chakraborty
石墨烯和石墨烷具有独特的电子和磁性，为碳基电子产品提供了光明的未来，在半导体工业中有取代硅的前景。
Discoveries of graphene and graphane possessing unique electronic and magnetic properties offer a bright future for carbon based electronics, with future prospects of superseding silicon in the semiconductor industry.
机构、总结、中文摘要均由AI分析而来，可能存在错误，请以论文正文为准。
继续探索
Carbon nanoscrolls (CNSs) are nanomaterials with geometry resembling graphene layers rolled up into a spiral (papyrus-like) form. Effects of hydrogenation and temperature on the self-scrolling process of two nanoribbons interacting with a carbon nanotube (CNT) have been studied by molecular dynamics simulations for three configurations: (1) graphene/graphene/CNT; (2) graphene/graphane/CNT, and (3) graphane/graphane/CNT. Graphane refers to a fully hydrogenated graphene nanoribbon. Nanoscroll formation is observed for configurations (1) and (2) for temperatures 300-1000 K, while nanoribbons wrap…
Here, the possibility of the existence of nitro-graphene derivatives with undisturbed graphene backbone is considered. Based on the first-principles calculation, it is shown that while NO$_2$ is unable to form a covalent bond with bare graphene, it becomes possible in some structures of graphane, fluorographene, and graphene oxide. This paper presents, among others, an analysis of the surrounding influence on the C-NO$_2$ bond strength. The author believes, that potential prospects of these materials and discussion about possible synthesizing routes may help further research on graphene-based …
Graphene to Graphane: The Role of H Frustration in Lattice Contraction
石墨烷是一种二维体系，由完全饱和（sp $^3$杂化）碳原子的单一平面层组成，H原子以交替模式（相对于碳原子定义的平面上下）连接到碳原子上。几年前，理论上预测存在稳定的石墨烷结构，并且通过石墨烯膜的氢化在实验上实现。在这项工作中，我们已经使用\textit{ab initio}和反应分子动力学的H挫折（打破了H原子上下交替模式）的作用，在类石墨烯结构的研究。我们的研究结果表明，H挫折显着有助于晶格收缩。动力学方面的石墨烯转化为graphane也解决了。
Vibrational properties of graphene fluoride and graphane
用从头计算方法研究了氟化石墨烯和石墨烷的振动性质。我们发现，这两个sp3键合的衍生物的石墨烯具有不同的声子色散关系和声子态密度的预期从不同的质量与所附原子氟和氢，分别。这些差异体现在两种化合物的定容比热的预测温度行为中。
Group-IV graphene- and graphane-like nanosheets
我们进行了第一性原理研究的结构和电子性质的第IV组（C，SiC，Si，Ge和Sn）石墨烯类片在平坦和屈曲配置和相应的氢化或氟化的石墨烯类的。对这些结构形成过程中的能量学分析表明，氟化类石墨烯片非常稳定，易于在实验室中合成。我们还研究了氢化或氢化对类石墨烯片性能的影响。这些石墨烷状片层中的原子间距离与相应的结晶片层一致，这一特性可能有助于这些片层集成到三维纳米器件中。
GraphAne: From Synthesis to Applications
原子薄晶体最近已经成为关注的焦点，特别是在石墨烯（碳的单层六方晶体结构）合成之后。在这种新型材料类别中，化学衍生的石墨烯引起了极大的兴趣。研究表明，尽管块状石墨是一种化学惰性材料，但单层石墨烯的表面对单个原子具有相当大的反应性。到目前为止，已经报道了几种石墨烯衍生物的合成，例如氢化石墨烯“graphane”（CH）、氟代石墨烯（CF）和氯代石墨烯（CCl）。此外，使用计算工具预测了溴和碘覆盖的石墨烯的稳定性。在这些衍生物中，石墨烷的易合成、绝缘电子行为和可逆可调的晶体结构使该材料特别适合于未来的超薄器件应用。本文综述了石墨烷的结构、电子、磁性、振动和力学性质。我们还提出了一个详细的概述，致力于计算建模的graphane及其衍生物的研究工作。并对石墨烷的合成技术和应用前景进行了综述。
First-principles investigation of graphene fluoride and graphane
利用密度泛函理论研究了石墨烯和氟化石墨烯的不同化学计量构型。它们的结构和电子性质进行了比较，我们指出了各种配置之间的异同。发现石墨烷和氟化石墨烯之间的巨大差异是由氟原子上存在电荷引起的。一个新的配置，这是更稳定的比船的配置，预计氟化石墨烯。我们还进行GW计算两个石墨烯衍生物的电子带隙。这些带隙和计算的杨氏模量与现有的实验数据不一致。这可能表明实验样品含有大量缺陷或仅部分被H或F覆盖。
Graphene to Graphane: A Theoretical Study
石墨烷是由单层完全饱和（sp $^3$杂化）碳原子组成的二维体系。在理想的石墨烷结构中，C-H键表现出交替模式（相对于由碳原子限定的平面上下）。在这项工作中，我们已经研究了使用\textit{ab initio}和反应分子动力学模拟的作用，H挫折（打破了H原子上下交替模式）在类石墨烯结构。我们的研究结果表明，显着比例的不相关的H受挫域形成在早期阶段的加氢过程中，导致膜收缩和广泛的膜波纹。这些结果还表明，不太可能形成完美的类石墨烯结构的大畴，总是存在H阻挫畴。
How Graphene is Transformed into Regular Graphane Structure
本文介绍了第一个计算实验的石墨烯片（石墨烯分子Cn）到石墨烷（CH）n的规则椅状结构的转换。转化被认为是用特定算法控制的原始分子的逐步氢化。碳骨架上有效未成对电子数NDA的空间分布为算法奠定了基础。原子映射的高秩NDA值被视为每个反应步骤的靶原子的指针。完全氢化之后形成规则的椅状石墨烷结构（CH）n是可能的，如果仅在原始片的周边处的所有边缘碳原子被固定，从而模拟固定膜，而片可从两侧接近氢原子。计算是在非限制性对称破缺Hartree-Fock方法的框架内采用半经验AM 1方法进行的。
Thermal rippling behavior of graphane
采用大尺度原子模拟方法研究了单层氢化石墨烯的热涨落。通过分析不同体系尺寸和温度下高度涨落的均方值$<h^2>$和高度-高度关联函数$H(q)$，我们发现氢化石墨烯是一个无波纹的体系。高度波动是有界的，这是由$ H(q) $倾向于在长波长极限的常数，而不是显示膜理论预测的特征标度律$ q^{4-η} (η\simeq 0.85)$确认。这种出乎意料的行为持续到至少900 K的温度，并且是以下事实的结果：在石墨烷中，热能可以通过面内弯曲模式（即，涉及弯曲碳层中的C-C-C键角的模式）来调节，而不是导致石墨烯中发生的显著的面外波动。
From graphene to graphane : A density functional investigation of metal insulator transition
虽然石墨烯是一种半金属，但最近合成的氢化石墨烯（称为石墨烷）却是一种绝缘体。本文在密度泛函理论的框架下研究了石墨烯-石墨烯体系的金属绝缘体相变。通过分析石墨烯上15种不同氢浓度的电子结构的演变趋势，我们揭示了这种转变的一些新特征。随着氢覆盖率的增加，半金属首先变成金属，然后转变为绝缘体。金属相在空间上是不均匀的，它包含由氢化碳原子形成的绝缘区域的岛和由传染性裸碳原子形成的金属通道。
Dynamical Formation of Graphene and Graphane Nanoscrolls
本研究通过分子动力学模拟探究氢化与温度对碳纳米带自卷曲形成碳纳米卷的影响，对比三种含石墨烯、石墨烷与碳纳米管的构型，明确了不同构型下纳米卷形成的温度范围差异。
Spin-asymmetric graphene nanoribbons in graphane on silicon dioxide
采用从头计算方法研究了氧化硅衬底上氢化石墨烯（graphane）的结构。发现仅在石墨烯层的一侧上具有氢化的结构是稳定的，并且给出了其氢构型。此外，我们通过从外延石墨烷层选择性地去除氢来形成锯齿形石墨烯纳米带。在这些带中，独立的反铁磁锯齿形带的自旋简并被打破，不同大小的带隙出现相反的自旋物种。这种简并断裂是由于带下方的衬底中的电荷不平衡，其通过衬底原子相对于石墨烯带的边缘的不对称对准而引入。
Enhanced stability of hydrogen atoms at the graphene/graphane interface of nanoribbons
采用密度泛函理论研究了石墨烯/石墨烷纳米带的热稳定性。发现氢原子在GGNRs的锯齿形和扶手椅形界面上扩散的能垒分别为2.86和3.17 eV，而孤立的H原子在原始石墨烯上的扩散能垒仅为~0.3 eV。这些结果明确地表明，通过石墨烯/石墨烷界面工程增加氢扩散屏障，可以显著增强GGNR的热稳定性。这可能为GGNR的可行应用提供新的见解。
Quantum Percolation Transition from Graphene to Graphane: Graph Theoretical Approach
石墨烯是通过石墨烯完全氢化而获得的。存在一种中间材料，部分氢化的石墨烯（我们称之为\textit{hydrographene}），从纯石墨烯过渡到纯石墨烷。它具有各种有趣的电子和磁性。我们研究了金属-绝缘体的转变，采用量子位渗流模型与图论方法。氢石墨烯是一个例外的情况，其中电子性质不能仅仅由费米能的态密度确定。虽然在较宽的氢化密度范围内存在大量的零能态，但绝大多数是绝缘态。我们还表明，它显示了基于Lieb理论的体铁磁性质。
Current-Voltage Characteristics of Graphane p-n Junctions
与作为无隙半导体的石墨烯相反，石墨烯烷（氢化石墨烯）是具有能隙的半导体。与二维几何形状、石墨烯的独特传输特征以及掺杂石墨烷的可能性一起，可以限定p和n区域，使得2D pn结在小的反向电流下变得可行。本文介绍了一个基本的分析，以获得这种二维pn结的电流-电压特性的石墨。正如我们所表明的，在肖克利结定律的近似下，这种pn结的I-V特性是理想的。
Contrasting interedge superexchange interactions of graphene nanoribbons embedded in h-BN and graphane
基于第一性原理密度泛函理论计算，比较研究了六方氮化硼（BN）片和氢化石墨烯（graphane）中的锯齿形超窄石墨烯纳米带（ZGNRs）的电子结构与宽度N（ZGNRs中锯齿形碳链的数目）的关系.我们发现ZGNRs/BN除了在N = 5和6处具有弱稳定的半金属态外，其余都具有弱的基态，而N >= 2的ZGNRs/graphane在每个边缘上的铁磁有序边缘态之间表现出强的反铁磁耦合.结果表明，两类ZGNRs的不同磁特性归因于不同界面结构引起的对比鲜明的边缘间超交换相互作用：即，ZGNRs/BN的非对称界面结构在两个不等价的边缘态之间提供了相对短距离和弱的超交换相互作用，而ZGNRs/石墨烷的对称界面结构提供了长距离、强的边缘间超交换相互作用。
Since the advent of graphene ushered the era of two-dimensional materials, many forms of hydrogenated graphene have been reported, exhibiting diverse properties ranging from a tunable band gap to ferromagnetic ordering. Patterned hydrogenated graphene with micron-scale patterns has been fabricated by lithographic means. Here we report successful millimeter-scale synthesis of an intrinsically honeycomb patterned form of hydrogenated graphene on Ru(0001) by epitaxial growth followed by hydrogenation. Combining scanning tunneling microscopy observations with density-functional-theory (DFT) calcul…
Mechanochemical reaction in graphane under uniaxial tension
采用量子力学化学反应坐标模拟方法研究了氢功能化石墨烯的力学性能。模拟揭示了原子匹配的特点，伴随着身体发生的变形-失效-破裂过程。与等碳核（5，5）纳米石墨烯和纳米石墨烷片相关的变形特性的比较研究显示出两个主体的高刚度，其分别由相关的六边形单元（即苯型和环己烷型）提供。这两个单元的特征在于在拉伸下沿机械化学内坐标的微观行为的各向异性，当后者是沿（zg）或正常（ach）的C-C键链取向。单元特征与它们相对于体C-C键链的不同堆积构型相结合形成了Zg和ach变形模式不同的结构敏感力学行为的基础。石墨烯的氢化极大地影响了主体的行为和数值特性，使得石墨烯失效的三角形样图案不太明显，并将其从zg模式反转为ach模式，以及总的来说提供了更小的石墨烷机械阻力。
Tunable Thermal Conduction in Graphane Nanoribbons
石墨烯和石墨烯都是二维材料，但具有不同的键合构型，这可以导致不同的热传导性质。我们模拟石墨烷纳米带（GANRs）使用非平衡格林函数方法的热传导。研究发现，GANRs具有较低的弹道热导和较强的热导各向异性比石墨烯同行。此外，GANRs的氢空位显著抑制热传导，伴随着增强的热导各向异性。通过控制GANRs的宽度、边缘形状和氢空位浓度实现的可调热传导可用于热管理和热电应用。
Structure, stability and electronic properties of tricycle type graphane
我们提出了一种新的石墨烷同素异形体，命名为三轮石墨烷，在每个六方碳环上具有4up/2down UUUDUD氢化，这不同于先前提出的具有UUDUUD（船-1）和UUUUDD（船-2）氢化类型的同素异形体。用第一性原理方法系统地研究了它的稳定性和电子结构。我们发现，三轮石墨烷是一个稳定的阶段之间的先前提出的椅子和β同素异形体。它的电子性质与椅子、船、船-1、船-2和扭船同素异形体的电子性质非常相似。三环石墨烷的负吉布斯自由能为-91meV/atom，与最稳定的椅型石墨烷的负吉布斯自由能（-103meV/atom）非常接近。因此，与其他构象异构体相比，这种新的二维烃可以在石墨烯氢化过程中以相对高的概率产生。
Thermal Desorption of Hydrogen From Graphene
用分子动力学方法研究了石墨烯的脱氢过程。计算了石墨烯上不同氢覆盖率下的脱附开始时间随温度的变化关系，并确定了相应的阿克里尼乌斯方程中的活化能。它是建立，石墨烷表现出相当高的热稳定性，使其在二维电子学，即使在室温下使用。出于同样的原因，石墨烷很难被认为是用于燃料电池的有前途的储氢材料。
Ideal strength and phonon instability of strained monolayer materials
利用密度泛函理论计算了具有半金属、半导体和绝缘基态的单层材料的理想强度。在这里，我们表明，在石墨烯中，软模式发生在BN，石墨烷，和MoS $_2$的K点，而不是在硅烯。在除石墨烯之外的所有情况下，过渡都是一阶的。在BN和石墨烷中，软模对应于类似于石墨烯的Kekul{é}样畸变，而MoS $_2$具有明显的畸变。BN、石墨烷和MoS $_2$的相变与带隙的打开无关，这表明费米面嵌套不是驱动力。我们执行的能量分解，演示了为什么在K点的软模式是唯一的，以及如何应变驱动声子不稳定性。
Accurate electronic band gap of pure and functionalized graphane from GW calculations
利用GW近似，我们研究了最近合成的氢化石墨烯，命名为graphane的电子结构。对于这两种构象，最小带隙被发现是直接在$Γ$点，它有一个值为5.4 eV的稳定的椅子构象，其中H原子连接C原子交替的二维碳网络的相对侧。在亚稳定的船形构象中，能隙为4.9 eV。然后，使用超晶胞方法，通过引入羟基或H空位来修饰石墨烷的电子结构。在最后一种情况下，杂质态出现在价带最大值以上约2eV处。
Spontaneous Regeneration of an Atomically Sharp Graphene/Graphane Interface under Thermal Disordering
用分子动力学方法研究了氢原子热活化迁移引起的石墨烯/石墨烷界面的涂抹现象。与预期相反，发现该界面的快速自发再生甚至发生在足够高的温度T约1500 K。结果，无序区域的平均宽度不超过C-C键的长度，即，界面保持几乎原子级的尖锐。这种效应的原因似乎是该系统的电位释放的特定形状，即氢原子的直接和反向迁移的能垒高度之间的显著差异。本文提出了一个简单的模型，它可以得到典型原子组态的平衡分布函数与温度的关系，估计建立平衡态的典型时间，从而定量地描述计算机实验的结果。
Structure and energetics of hydrogen chemisorbed on a single graphene layer to produce graphane
采用第二代反应性经验键级Brenner原子间相互作用势，对氢在石墨烯上的化学吸附进行了原子模拟研究。确定了最低能量吸附位和最重要的亚稳位。H浓度从单个H原子变化到H原子簇直至完全覆盖。我们发现，当存在两个或更多个H原子时，H在单个石墨烯层上化学吸附的最稳定构型是吸附在石墨烯片的一侧或两侧上的邻位氢对。后者具有最高的氢结合能。下一个稳定的构型是邻-对位对组合，然后是对位氢对。讨论了石墨烯化学吸附氢引起的结构变化，并与现有的实验数据和其他理论计算进行了比较。所得结果将有助于氢化石墨烯的纳米工程和储氢。
Graphane as polyhydride of graphene. Computational synthesis applied to two-side membrane
最近，作者在研究碳纳米管和石墨烯之间的特殊复合材料的形成以及考虑在机械化学反应的适当过程中石墨烯片的拉伸变形和断裂时，证明了分子量子化学应用于基本石墨烯问题的巨大功效。在研究中获得的乐观的结果使得有可能将注意力从固态问题转移，并将石墨烷的形成视为原始分子的多步氢化。为了继续进行，我们必须回答以下问题：1）哪种氢吸附，即分子或原子，是最可能的; 2）什么是氢原子附着到衬底上的特征图像; 3）哪个碳原子（或原子）是经受氢连接的第一目标以及如何选择碳原子用于吸附的下一步骤; 4）环己烷的连续吸附模式与环己烷构象之间是否存在联系。在这种方式获得的第一个结果在当前的文件。计算是在非限制性对称破缺Hartree-Fock方法的框架内采用半经验AM 1方法进行的。
Graphane is a quasi-two-dimensional material consisting of a single layer of fully hydrogenated graphene, with a C:H ratio of 1. We study nuclear quantum effects in the so-called chair-graphane by using path-integral molecular dynamics (PIMD) simulations. The interatomic interactions are modeled by a tight-binding potential model fitted to density-functional calculations. Finite-temperature properties are studied in the range from 50 to 1500~K. To assess the magnitude of nuclear quantum effects in the properties of graphane, classical molecular dynamics simulations have been also performed. Th…
A Systematic Study of Electronic Structure from Graphene to Graphane
虽然石墨烯是一种半金属，但最近合成的氢化石墨烯称为graphane，是一种绝缘体。我们在密度泛函理论的框架下研究了石墨烯氢化生成石墨烷的过程。通过对18种不同氢浓度下的电子结构的分析，我们发现了这种跃迁的一些新的特征。我们的研究结果表明，氢化有利于聚集的配置，导致形成紧凑的岛屿。电荷密度和电子局域化函数（ELF）的分析表明，随着氢覆盖率的增加，半金属转变为具有离域电荷密度的金属，然后转变为绝缘体。金属相在空间上是不均匀的，它包含由氢化碳原子形成的绝缘区域的岛和由相邻的裸碳原子形成的金属通道。事实证明，有可能对石墨烯片进行图案化以调整电子结构。例如，沿晶胞的对角线去除氢原子，在边缘产生扶手椅图案，产生1.4 eV的带隙。我们还表明，一个弱铁磁态存在，即使对于一个大的氢覆盖每当有一个子晶格的不平衡存在的奇数个氢原子。
First-principles investigation of bilayer fluorographene
采用密度泛函理论中的\textit{Ab initio}方法研究了双层氟化石墨烯的稳定性和电子性质.一个比较是以前研究的石墨烷，双层石墨烷，和氟石墨烯。发现双层含氟石墨烯是比双层石墨烷稳定得多的材料。其电子能带结构与单层氟石墨烯相似，但其电子带隙明显更大（约1 eV）。我们还计算了氟石墨烯和双层氟石墨烯的$Γ$点附近的有效质量，发现它们是各向同性的，与早期的报道相反。此外，发现双层含氟石墨烯几乎与石墨烯一样强，因为其2D杨氏模量约为300 $\mathrm{N} \mathrm{m}^{-1}$。
While halogenation of graphene presents a fascinating avenue to the construction of a chemically and physically diverse class of systems, their application in photovoltaics has been hindered by often prohibitively large optical gaps. Herein we study the effects of partial bromination and chlorination on the structure and optoelectronic properties of both graphane and fluorographene. We find brominated and chlorinated fluorographene derivatives to be as stable as graphane making them likely to be durable even at elevated temperatures. A detailed investigation of the systems band structure revea…
Graphene-based materials (GBMs) constitute a large family of materials which has attracted great interest for potential applications. In this work, we apply first-principles calculations based on density functional theory (DFT) and fully atomistic reactive molecular dynamics (MD) simulations to study the structural and electronic effects of hydrogenation in Me-graphene, a non-zero bandgap GBM composed of both $sp^2$ and $sp^3$-hybridized carbon. Our DFT results show a substantial tuning of the electronic properties of Me-graphene by hydrogenation, with the bandgap varying from $0.64$ eV to $2.…
Single-sided-hydrogenated graphene: Density functional theorypredictions
氢化已被证明是打开石墨烯带隙的有效工具。在目前的密度泛函研究中，我们证明了单面氢化石墨烯是一种间接带隙为1.89 eV的半导体，介于无带隙石墨烯和宽带隙石墨烷之间。我们表明，它的电子结构和晶格特性是从那些石墨烯，graphone，或graphane有很大的不同。晶格常数和C-C键长比石墨烯长15%。我们的结合能分析证实，这种单侧氢化导致化学稳定的材料。
Novel behaviors of monolayer quantum gases on Graphene, Graphane and Fluorographene
本文讨论了亚单层量子膜（He和H2）在石墨烯和新发现的石墨烯衍生表面上的行为。在这些基底中有石墨烷（缩写为GH），其具有键合到每个C原子的H原子，以及氟代石墨烯（GF）。对于石墨的情况下，广泛的实验和理论研究表明，玻色气体4 He和para-H2的相图是定性相似的，不同的主要是在一个更高的特征温度范围为H2比他。这些膜在原始石墨烯的一侧或自支撑石墨烯的两侧上的相行为预计与石墨上的相行为类似。我们指出了在石墨烯上吸附的新现象的可能性，与石墨烯片的大的柔性有关，与吸附在片的相对侧上的原子之间的不可忽略的相互作用以及与吸附层对狄拉克电子的扰动效应有关。相比之下，在GF和GH表面上预测的行为与在石墨上的行为非常不同，这是由于不同的取向，即，这些气体所经历的电势的横向变化。由于这种新颖的几何形状和潜力，观察到独特的属性。例如，4 He薄膜在石墨上的基态是与衬底相当的二维（2D）晶体;而在GF和GH上，它被预测为各向异性超流体。在GF上，各向异性是如此极端，以至于旋转子激发是非常各向异性的，就好像玻色子沿着蜂窝晶格的键在多连通空间中移动。这种新相以前在任何基底上都没有被预测或观察到。此外，在3 He的情况下，薄膜的基态是流体，从而提供了研究具有可调密度的各向异性费米流体的可能性。
The response of mechanical and electronic properties of graphane to the elastic strain
基于第一性原理计算，我们提出了一种方法来揭示最近合成的单层烃，石墨烷的弹性性质。的面内刚度和泊松比的值被发现是小于那些石墨烯，其屈服应变在各种空位缺陷的存在下，也在高的环境温度下降低。我们还发现，带隙可以强烈修改所施加的应变在弹性范围内。
Hydrogenated graphene on the silicon dioxide surface
研究了石墨烯在α-石英（0001）SiO_2衬底上的氢化反应，考虑到材料的非晶性质，考虑了不同的表面终端。我们的从头计算表明，氢吸附在石墨烯上形成的石墨烯是积极的羟基和氧终止表面上的青睐，而硅终止和重建的氧终止阻碍吸附。研究结果表明，在SiO_2表面制备石墨烷，表面氧化和氢饱和是有利的。对于衬底上的原始石墨烯，我们发现所有表面终端的低能能带结构仅发生微小变化。
Electronic and optical properties in graphane
我们发展了紧束缚模型来研究石墨烷的电子和光学性质。碳原子和氢原子之间的强sp3化学键导致了特殊的能带结构，从而导致了丰富的光激发。吸收光谱几乎不依赖于电极化的强度方向。在抛物带的极值点和鞍点处出现了大量的肩状结构和吸收峰。阈值光激发，只与2 px和2 py轨道的碳原子，揭示了在肩结构在？3.5 EV.第一个对称吸收峰出现在~11 eV处，对应于由于碳2 pz轨道和H 1 s轨道相当大的杂化而产生的能带。此外，在较高频率处的一些吸收峰指示2s和1 s轨道的成键。这些结果与sp2石墨烯系统的结果形成鲜明对比。
Band gaps and structural properties of graphene halides and their derivates: A hybrid functional study with localized orbital basis sets
石墨烷和化学计量卤代石墨烯衍生物电子结构的密度泛函计算（氟代石墨烯和其他类似的石墨烯卤化物）显示（i）局域轨道基组可以成功和有效地用于这样的2D材料;（ii）几个泛函预测石墨烷的带隙大于氟代石墨烯的带隙，而HSE 06给出相反的趋势;（iv）石墨烯的零带隙通过氢化和卤化打开并且强烈地取决于混合石墨烯卤化物的化学组成;（V）石墨烯卤化物的稳定性随着卤素原子尺寸的增加而急剧降低-氟代石墨烯是稳定的，而石墨烯碘化物自发地分解。在带隙和稳定性方面，C2FBr和C2 HBr衍生物似乎是有前途的材料，例如，对于（光）电子应用，因为它们的带隙类似于常规半导体的带隙，并且预期它们在环境条件下是稳定的。结果表明，其它含氟化合物（CaHbFc和CaFbYc，Y = Cl，Br，I）是稳定的绝缘体。
BO-graphane and BO-diamane
本研究通过DFT计算发现硼氧吸附在石墨烯上可形成BO-graphane和BO-diamane两种二维材料，二者兼具高杨氏模量、宽间接带隙、高热稳定性与高热导率，有望用于热管理领域。
Diamond-Like C2H Nanolayer, Diamane: Simulation of the Structure and Properties
我们考虑一种新的C2H纳米结构的基础上双层石墨烯下的共价键的氢原子吸附在其外表面上，以及位于相邻层中彼此相对的碳原子的化合物转化。它们构成金刚石的“薄膜”<111>，厚度小于1 nm，称为金刚石。利用密度泛函理论计算了金刚石、石墨烯和金刚石的能量特性和电子能谱，并进行了比较。用分子动力学方法测定了金刚烷和石墨烯膜的有效杨氏模量和破坏阈值。结果表明，C_2H二金刚烷比CH石墨烷更稳定，其介电“带隙”比金刚石和石墨烷的带隙窄0.8eV和0.3eV，且比后者更硬、更脆。
Impurity induced spin gap asymmetry in nanoscale graphene
我们提出了一种独特的方法来控制纳米级石墨烯的带隙和磁性，这可能会被证明是非常有益的应用在纳米电子和自旋电子器件。我们已经表明，沿单个锯齿形边缘的氮化学掺杂破坏了石墨烯的亚晶格对称性。这导致了一个开放的间隙和移位的分子轨道局部化的掺杂的边缘，在这样的方式，自旋间隙的不对称性，这可能会导致在某些条件下的半金属性，获得。石墨烯的自旋选择性行为和可调自旋间隙帮助我们获得半导体二极管样的电流-电压特性，其中在一个方向上流动的电流比另一个方向上流动的电流更优选。石墨烯层中间的掺杂导致纯石墨烯的HOMO和LUMO轨道之间的杂质能级（再次，很像半导体系统中的杂质能级）位于锯齿形边缘上，从而降低带隙并增加未成对电子，这也可以用于控制石墨烯导电性。
Nanoscale Graphene Disk: A Natural Functionally Graded Material --The Thermal Conductivity of Nanoscale Graphene Disk by Molecular Dynamics Simulation
在这封信中，我们调查的数值（非平衡分子动力学）和分析纳米石墨烯盘（NGDs）的热导率，并讨论了实现功能梯度材料的可能性，只有一种材料，NGDs。我们发现，NGD具有梯度导热性，可以在很大的温度范围内用作功能梯度材料。此外，我们还研究了NGDs的热导率与半径和温度的关系。我们的研究可能会启发实验工作者开发NGD基功能梯度材料，并帮助石墨烯去除芯片上的热点。
Measuring degeneracy and broken-symmetry states of a system at nanoscale requires extremely high energy and spatial resolution, which has so far eluded direct observation. Here, we realize measurement of the degeneracy and subtle broken-symmetry states of graphene at nanoscale for the first time. By using edge-free graphene quantum dots, we are able to measure valley splitting and valley-contrasting spin splitting of graphene at the single-electron level. Our experiments detect large valley splitting around atomic defects of graphene due to the coexistence of sublattice symmetry breaking and t…
Nanoscale Terahertz Conductivity and Ultrafast Dynamics of Terahertz Plasmons in Periodic Arrays of Epitaxial Graphene Nanoribbons
本文利用太赫兹光谱和扫描近场显微镜，研究了外延石墨烯纳米带中太赫兹等离子体的超快动力学，揭示了光激发后载流子温度在约7 ps内从超过5000 K降至晶格温度、迁移率基本不变，并发现缺陷势垒和边缘散射对载流子输运的影响。
Nanoscale photothermal sources find important applications in theranostics, imaging, and catalysis. In this context, graphene offers a unique suite of optical, electrical, and thermal properties, which we exploit to show self-consistent active photothermal modulation of its nanoscale response. In particular, we predict the existence of plasmons confined to the optical landscape tailored by continuous-wave external-light pumping of homogeneous graphene. This result relies on the high electron temperatures achievable in optically pumped clean graphene while its lattice remains near ambient tempe…
A reciprocal structure (RS) is a mechanical resistant structure formed by a set of self-supporting elements satisfying certain conditions of structural reciprocity (SR) . The first condition is that each element of the structure has to support and be supported by the others. The second condition is that these functions cannot occur in the same part of the element. These two properties make beams and two-dimensional materials very much appropriate to build RSs. Commonly seen in floors or roofs, SR is also present in art, religious symbols and decorative objects. Da Vinci has drawn several examp…
Using a first-principles total energy methodology, we investigated the properties of graphene-like carbon mono and bilayers, functionalized with nitrogen and boron atoms. The resulting stable structures were explored in terms of their potential use as nanoscale two-dimensional building blocks for self-assembly of macroscopic structures. We initially considered graphene monolayers functionalized with nitrogen and boron, but none of them was dynamically stable, in terms of the respective layer phonon spectra. Then, we considered the functionalized graphene-like bilayers (labeled as NCCN, NCNC, B…
Creation of high quality p-n junctions in graphene monolayer is vital in studying many exotic phenomena of massless Dirac fermions. However, even with the fast progress of graphene technology for more than ten years, it remains conspicuously difficult to generate nanoscale and atomically-sharp p-n junctions in graphene. Here, we employ monolayer-vacancy-island engineering of Cu surface to realize nanoscale p-n junctions with atomically-sharp boundaries in graphene monolayer. The variation of graphene-Cu separations around the edges of the Cu monolayer-vacancy-island affects the positions of th…
Graphene has shown great potential for modulating infrared (IR) light in devices as small as 350 nm. At these length scales, nanoscale features of devices, and their interaction with light, can be expected to play a significant role in device performance. Bubbles in van der Waals heterostructures are one such feature, which have recently attracted considerable attention thanks to their ability to modify the optoelectronic properties of 2D materials through strain. Here we use scattering-type scanning near-field optical microscopy (sSNOM) to measure the nanoscale IR response from a network of v…
We use confocal Raman microscopy and modified vector analysis methods to investigate the nanoscale origin of strain and carrier concentration in exfoliated graphene-hexagonal boron nitride (hBN) heterostructures on silicon dioxide (SiO2). Two types of heterostructures are studied: graphene on SiO2 partially coved by hBN, and graphene fully encapsulated between two hBN flakes. We extend the vector analysis methods to produce spatial maps of the strain and doping variation across the heterostructures. This allows us to visualise and directly quantify the much-speculated effect of the environment…
The integration of graphene (Gr) with nitride semiconductors is highly interesting for applications in high-power/high-frequency electronics and optoelectronics. In this work, we demonstrated the direct growth of Gr on Al0.5Ga0.5N/sapphire templates by propane (C3H8) chemical vapor deposition (CVD) at temperature of 1350°C. After optimization of the C3H8 flow rate, a uniform and conformal Gr coverage was achieved, which proved beneficial to prevent degradation of AlGaN morphology. X-ray photoemission spectroscopy (XPS) revealed Ga loss and partial oxidation of Al in the near-surface AlGaN regi…
Nanoscale ear drum: Graphene based nanoscale sensors
样品越小，确定其质量的难度就越大。在纳米尺度上，没有直接的方法来分辨单个分子或纳米颗粒的质量，因此需要基于机电现象的更复杂的方法。更重要的是，人们要求这种纳米机电技术不仅可以提供有关目标分子质量的信息，而且还可以提供有关其几何特性的信息。在这个意义上，我们报告了一个理论研究，详细说明了石墨烯膜可以作为纳米机电质量传感器设备。将宽石墨烯片暴露于不同类型和量的分子，并采用分子动力学模拟来统计地处理这些掺杂过程。我们证明了质量变化效应和石墨烯分子相互作用的信息可以通过动力学响应函数来推断。我们的研究结果证实了石墨烯作为质量检测器设备的潜在用途，在估计掺杂剂的分子尺度和其他物理性质的质量变化方面具有显着的精度。
Nanoscale twisted bilayer graphene (TBG) is quite instable and will change its structure to Bernal (or AB-stacking) bilayer with a much lower energy. Therefore, the lack of nanoscale TBG makes its electronic properties not accessible in experiment up to now. In this work, a special confined TBG is obtained in the overlaid area of two continuous misoriented graphene sheets. The width of the confined region of the TBG changes gradually from about 22 nm to 0 nm. By using scanning tunnelling microscopy, we studied carefully the structure and the electronic properties of the nanoscale TBG. Our resu…
Lateral Graphene-Metallene Interfaces at the Nanoscale
研究通过理论与机器学习方法分析石墨烯与金属烯的横向界面稳定性，发现过渡金属界面最稳定，推动金属烯的合成与应用。
Graphene is attracting vast interest due to its superior electronic and mechanical properties. However, structure and electronic properties of its edge are often neglected, although they are important for nanoscale devices because the edge ratio becomes larger by decreasing the device size. In this study, we suggest a way to fabricate a graphene with atomically aligned zigzag edges by applying hydrogen-plasma etching (HPE) technique. By patterning a graphene prior to HPE, it is succeeded to shape a graphene in desired structure. Both atomic force microscopy and Raman spectroscopy confirm that …
Friction-induced energy dissipation impedes the performance of nanoscale devices during their relative motion. Nevertheless, an ingeniously designed structure which utilizes graphene topping can tune the friction force signal by inducing local strain. The present work reports capping of graphene over Si grooved surfaces of different pitch lengths from sub-nanoscale (P=40 nm) to a quarter of a micron (P= 250 nm). The variation in the pitch lengths induces different strains in graphene revealed by scanning probe techniques, Raman spectroscopy and molecular dynamics (MD) simulation. The asymmetri…
Inherent symmetries of a system lead to multiple degeneracies of its energy spectra. Introducing individual atomic impurities can locally break these symmetries, which is expected to lift the degenerate degrees of freedom around the impurities. Although central to our understanding of the fundamental properties of solids, the broken-symmetry states induced by individual atomic impurities have so far eluded observation. Here, we report nanoscale probing of the broken-symmetry states in graphene induced by two types of individual atomic impurities, i.e., isolated nitrogen dopants and isolated hy…
Nanopore creation in graphene at the nanoscale for water desalination
本文提出利用氩等离子磁控溅射在石墨烯中可控创建纳米孔，并设计了一种带纳米孔的双石墨烯电极水过滤装置，实现了最高渗透率、近100%盐截留率及力学性能提升，对开发海水淡化膜意义重大。
Low-temperature ballistic transport in nanoscale epitaxial graphene cross junctions
我们报道了在SiC（0001）上外延生长的石墨烯纳米交叉结中的惯性-弹道输运的观测结果。弹道输运由负弯曲电阻R12表示，43 ~ 170 ohm，在4.2 K时在非局部四端结构中测量，当温度升高到80 K以上时，它消失。
Emerging Two-dimensional Materials: graphene and its other structural analogues
自2004年左右发现以来，石墨烯的研究可能是材料科学中最大和发展最快的研究领域，因为它具有奇异的机械，热，电子，光学和化学性质。石墨烯的研究也导致了在探索二维（2D）系统领域的进一步研究。例如，许多其他2D晶体（不基于碳，例如，硼氮烯、硅酮、石墨烷等）近年来已经被合成或理论预测。此外，理论研究已经预测了Ge、SiC、GeC、AlN、GAN等其他2D六方晶体的可能性。这些2D材料的性质与它们的体相非常不同。我们将介绍石墨烯类2D系统的一般奇异特性，然后是其中一些系统的结构和电子特性的计算结果。
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