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。
2015-02-20 cond-mat.mtrl-sci
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。
2010-09-20 cond-mat.mtrl-sci
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。
2009-10-22 cond-mat.mtrl-sci
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。
2012-07-07 cond-mat.mtrl-sci
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。
2009-11-08 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Dynamical Formation of Graphene and Graphane Nanoscrolls
University of Brasília（巴西利亚大学）；University of Campinas（坎皮纳斯大学）；Federal Institute of Education, Science and Technology of Piauí（皮奥伊联邦教育、科学和技术学院）
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。
2021-06-17 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
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。
2011-06-27 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
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。
2010-11-18 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
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。
2011-04-14 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci cond-mat.stat-mech
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。
2009-06-20 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
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。
2015-04-09 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Zero-temperature phase diagram of D$_2$ physisorbed on graphane
用扩散蒙特卡罗方法测定了D $_2$在石墨烷上物理吸附的零温相图。使用的基质是C-石墨烷，其是通过石墨烯氢化实验获得的化合物的同素异形体形式。我们发现，基态是$δ$相，一个相称的结构实验观察到的D $_2$吸附在石墨上时，而不是注册的$\sqrt 3 \times \sqrt 3$结构特性的H $_2$在同一基板上。
2014-02-27 cond-mat.mtrl-sci
Intrinsically Honeycomb-patterned Hydrogenated Graphene with Spin Polarized Edge-states
自从石墨烯的出现开创了二维材料的时代以来，已经报道了许多形式的氢化石墨烯，表现出从可调带隙到铁磁有序的各种特性。具有微米级图案的图案化氢化石墨烯已经通过光刻手段制造。在这里，我们报告了成功的毫米级合成的内在蜂窝图案形式的氢化石墨烯Ru（0001）的外延生长，然后氢化。结合扫描隧道显微镜的观察与密度泛函理论（DFT）计算，我们揭示了原子氢层插入石墨烯和Ru（0001）之间。结果是氢蜂窝结构，其用作最终氢化的模板，其仅在模板上将石墨烯转化为石墨烷，产生蜂窝图案化的氢化石墨烯（HPHG）。实际上，HPHG是图案化石墨烷的一种形式。DFT计算发现，嵌入图案化石墨烷中的未氢化石墨烯区域表现出自旋极化边缘态。这种类型的生长机制为制造固有图案化的石墨烯基材料提供了新的途径。
2021-06-22 cond-mat.mtrl-sci
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。
2011-08-19 cond-mat.mtrl-sci
Graphane: a two-dimensional hydrocarbon
我们预测的第一性原理总能量计算的基础上，一个新的扩展的二维烃的稳定性。我们称之为石墨烷的化合物是一种完全饱和的烃，衍生自具有化学式CH的单个石墨烯片。所有碳原子都处于sp3杂化状态，形成六边形网络，并且氢原子以交替的方式与平面两侧的碳键合。石墨烷被预测是稳定的，具有与其他烃如苯、环己烷和聚乙烯相当的结合能。我们讨论了合成石墨烷的可能途径以及作为储氢材料和二维电子学的潜在应用。
2006-06-27 cond-mat.mtrl-sci
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。
2014-02-05 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
The third conformer of graphane: A first principles DFT based study
我们提出，我们的第一性原理密度泛函计算的基础上，一个新的异构体的graphane，其中的C-H键的六边形交替在3-向上，3-向下的方式在任何一侧的表。这种被称为“X”的二维褶皱结构具有与先前发现的石墨烷的椅子和船构象相当的稳定性。这第三种构象的物理化学性质被发现是类似于其他两个构象的石墨烷的绝缘直接带隙为3.1 eV的Γ点。石墨烯片的任何其他替代氢化破坏了其对称的褶皱几何形状，并且证明在能量上不太有利。
2010-07-12 cond-mat.mtrl-sci
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。
2012-04-30 cond-mat.mtrl-sci
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。
2010-01-07 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
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。
2013-11-06 cond-mat.mtrl-sci
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。
2009-03-02 cond-mat.mtrl-sci
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。
2009-11-02 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
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。
2011-03-14 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
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。
2011-02-04 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Nuclear quantum effects in graphane
石墨烯是一种准二维材料，由单层完全氢化的石墨烯组成，C：H比为1。本文采用路径积分分子动力学（PIMD）方法研究了椅形石墨烷中的核量子效应。原子间的相互作用是由紧束缚势模型拟合密度泛函计算。在50 ~ 1500 K范围内研究了其高温性能。为了评估石墨烷性质中核量子效应的大小，还进行了经典分子动力学模拟。这些量子效应在有限温度下的原子间距离和层面积等结构性质中非常重要。计算结果表明，石墨烯的面内压缩系数约为石墨烯的2倍，低温时比经典计算值高9%.由PIMD模拟得到的热膨胀系数在零温度极限下消失，符合热力学第三定律。
2020-08-20 cond-mat.mtrl-sci physics.chem-ph
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。
2010-10-20 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci physics.comp-ph
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 $\mathrm{N} \mathrm{m}^{-1}$。
2013-01-24 cond-mat.mtrl-sci
Strong 1D localization and highly anisotropic electron-hole masses in heavy-halogen functionalized graphenes
虽然石墨烯的卤化为构建化学和物理上多样化的系统提供了一条迷人的途径，但它们在光化学中的应用却受到了通常过大的光学间隙的阻碍。本文研究了部分溴化和氯化对石墨烯和含氟石墨烯的结构和光电性能的影响。我们发现溴化和氯化的氟石墨烯衍生物与石墨烯一样稳定，即使在高温下也很可能耐用。系统的能带结构的详细调查揭示了显着的一维本地化的载流子，以及强烈的电子-空穴不对称的有效质量。最后，使用$G_0W_0$和BSE，我们研究了上述材料的光学吸收光谱，其第一个吸收峰被示出为接近光伏应用的最佳峰位置（$\approx 1.5$ eV）。
2016-07-26 cond-mat.mtrl-sci
Me-graphane: tailoring the structural and electronic properties of Me-graphene by hydrogenation
石墨烯基材料是一类具有广泛应用前景的材料。在这项工作中，我们应用基于密度泛函理论（DFT）的第一性原理计算和全原子反应分子动力学（MD）模拟研究氢化在Me-石墨烯，一个非零带隙GBM组成的$sp^2$和$sp^3$ -杂化碳的结构和电子效应。我们的DFT结果表明，通过氢化，Me-石墨烯的电子性质的实质性调谐，在GGA-PBE方法中，带隙从$0.64$ eV变化到$2.81$ eV，通过金属基态和取决于氢覆盖的较窄带隙状态。结构性质和结合能的分析表明，氢化Me-石墨烯具有强而稳定的\ce{C-H}键，所有碳原子均处于$sp^3$杂化状态，形成了类似于船的有利构象。我们的分子动力学模拟表明，氢化的Me-石墨烯是温度依赖性的，和共价吸附倾向于增长的岛屿。这些模拟还表明，最有利的网站，我们的DFT计算预测，作为广泛的氢化的触发吸附。
2020-12-06 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph physics.comp-ph
Non-hexagonal-ring defects and structures induced by strain in graphene and in functionalized graphene
我们执行{ \textit从头计算}的应变诱导形成的非六方环缺陷的石墨烯，石墨烷（平面CH），和石墨烯酚（平面COH）。我们发现，最简单的这种拓扑缺陷，斯通-威尔士缺陷，作为种子的应变诱导的解离和倍增的拓扑缺陷。通过应用非均匀变形的石墨烯，graphane和graphenol与最初的小浓度的五边形和七边形环，我们得到了几个新的稳定的结构，拥有，在同一时间，大浓度的非六边形环（从四倍到十一倍）和小的形成能。
2012-03-15 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
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。
2011-02-28 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
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。
2013-09-19 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
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。
2011-08-17 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Diamond monohydride: The most stable three-dimensional hydrocarbon
大多数碳氢化合物要么是分子结构，要么是线性聚合物链。石墨烯的发现及其单氢化物--石墨烯烷的制备激发了人们对三维碳氢聚合物的研究兴趣。然而，到目前为止，所有假设的碳氢化合物晶格都显着损失了堆叠的石墨烷片和固体苯的能量。我们提出了完全共价键合的固体一氢化碳，其密度显着超过其异构体（石墨烷，立方烷，固体苯）之一。从头算表明，该结构的内聚能至少不低于石墨烷和苯的内聚能。在某些方面，烃的晶体结构可视为金刚石的亚晶格，但具有P-3空间群的对称性（晶格参数a ~ 6.925A，c ~ 12.830A），Z=42个分子式单元/晶胞。这种结构（如果合成的话）可能对应用程序很有意义。
2015-04-06 cond-mat.mtrl-sci
Properties of discrete breathers in graphane from ab initio simulations
采用密度泛函理论（DFT）对石墨烯（全氢化石墨烯）中的离散呼吸子（DBs）进行了研究。据我们所知，这是第一原理模拟首次证明晶体体内存在DBs。发现DB是一个鲁棒的、高度局域化的振动模式，其中一个氢原子沿着垂直于石墨烷平面的方向以大幅度振荡，而所有相邻原子具有小得多的振动幅度。DB频率随振幅的增大而减小，可以在声子带隙内取任意值，甚至可以进入低频声子带。DB的概念，然后提出了一个解释最近的实验结果的非平凡的动力学的石墨烷在高温下脱氢。
2014-07-26 cond-mat.mtrl-sci nlin.PS
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。
2014-12-30 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
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。
2012-09-19 cond-mat.mtrl-sci physics.chem-ph
BO-graphane and BO-diamane
Ulsan National Institute of Science and Technology (UNIST)（蔚山科学技术院）；IBS-CMCM（韩国基础科学研究所碳材料创新中心）；Department of Chemistry, Ulsan National Institute of Science and Technology (UNIST)（蔚山科学技术院化学系）；OLA Battery Innovation Center, OLA Cell Technologies（奥拉电池创新中心，奥拉电池技术公司）；Department of Materials Science and Engineering, Ulsan National Institute of Science and Technology (UNIST)（蔚山科学技术院材料科学与工程系）；School of Energy and Chemical Engineering, Ulsan National Institute of Science and Technology (UNIST)（蔚山科学技术院能源与化学工程学院）
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。
2025-06-05 cond-mat.mtrl-sci physics.chem-ph
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。
2010-02-03 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Hydrogenation of graphene in view of odd electrons correlation
该文件提出了一个相当强的相关性的奇数电子在单重态的石墨烯的证据。由于这种相关性，石墨烯的化学改性可以按照一定的算法计算程序来考虑。由于相关性而产生并分布在石墨烯膜碳原子上的分数为NDA的有效未成对电子奠定了算法基础。最高的NDA值指向在所考虑的步骤中进入化学反应的靶原子。按照指针，可以执行多元导数的逐步设计。应用于氢化，算法设计表明，石墨烯氢化应归因于一个高度复杂的事件，其最终氢化物产物取决于许多因素，如：1）石墨烯膜固定的方式; 2）膜两侧对氢的可及性; 3）氢的组成（分子或原子）。一般来说，氢化物的形成在组成和结构方面是多模式的。因此，如果仅石墨烯膜固定在周边上，而其基面可从两侧接近氢原子，则可以形成具有CH单元的规则椅状六方堆积的100%氢化物，这可归因于石墨烷。
2012-01-08 cond-mat.mtrl-sci
From Silicene to Half-Silicane by Hydrogenation
石墨烯是从两侧完全氢化的石墨烯，形成1x 1结构，其中所有C原子都处于sp3构型。在硅烯中，Si原子处于混合sp2/sp3构型，因此很自然地想象硅烷类似于石墨烷。然而，在基底上生长的单原子硅烯片通常会重构成不同的相，并且以前只报道了部分氢化的硅烯重构。在这份报告中，我们生产半硅烷，其中一个硅子晶格是完全H-饱和的，另一个子晶格是完整的，形成一个完美的1x 1结构。通过对Ag（111）衬底上各种硅烯相的氢化，发现只有（2 r3 x2 r3）R30°相可以生成半硅烷。有趣的是，该相以前被认为是高度缺陷或不完整的硅烯结构。结果表明，（2 r3 x2 r3）R30°相的结构是完整的硅烯-1x1晶格，而不是有缺陷的碎片，并利用第一性原理计算讨论了半硅烷的形成机理.
2015-07-15 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Ground state configuration of hydrogenated Biphenylene sheet: structure, stabilities, electronic and mechanical properties from first-principles calculations
基于第一性原理计算，氢化联苯片（Science，372，852，2021）的基态构型（Cmma-CH）从由RG 2代码（Phys.Rev.B.，97，014104，2018）。Cmma-CH在其晶胞中含有四个苯分子，并且由于其Cmma对称性，它们都是不等价的。Cmma-CH中的氢原子与每个苯环中的碳原子以船状（boat-1：DDUDDU）上/下序列和相邻苯环中的反向boat-1（UUDUUD）序列键合。它在能量上比先前提出的氢化石墨烯的同素异形体（椅子、三轮车、螺旋桨、船-1、船-2和扭曲船）更不稳定，但其来自氢化联苯片的形成能显著低于用于将石墨烯氢化成石墨烷的那些。我们的研究结果证实，Cmma-CH是机械和动力学稳定的二维烃相，这是有望通过氢化合成的联苯片实验实现。HSE 06基能带结构表明Cmma-CH是一种间接带隙绝缘体，带隙为4.645 eV。
2021-07-03 cond-mat.mtrl-sci
Control of graphene's properties by reversible hydrogenation
石墨烯--一个单层的碳原子密集地堆积成六边形晶格--具有最强的原子键之一，可以被视为一个坚固的原子级支架，其他化学物质可以附着在上面而不会破坏它。石墨烯是一个巨大的扁平分子，可以进行化学改变，这一观点得到了所谓的氧化石墨烯的观察的支持，也就是被羟基和其他基团密集覆盖的石墨烯。不幸的是，氧化石墨烯是强烈无序的，导电性差，难以还原到原始状态。尽管如此，人们可以想象原子或分子以严格的周期性方式附着在原子支架上，这应该会导致不同的电子结构，本质上是不同的晶体材料。一个假设的例子是石墨烷，一种宽禁带半导体，其中氢键合到石墨烯的每个碳位点。在这里，我们表明，通过将石墨烯暴露于原子氢，有可能将这种高导电半金属转化为绝缘体。透射电子显微镜显示，该材料保留了六方晶格，但其周期明显短于石墨烯，为新的石墨烯衍生物提供了直接证据。发现与氢的反应是可逆的，退火可以恢复原来的金属态和晶格间距，甚至恢复量子霍尔效应。我们的工作证明了石墨烯化学改性的概念，这保证了一系列具有设计的电子和其他性质的新二维晶体。
2008-10-26 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Properties of Graphene: A Theoretical Perspective
在这篇综述中，我们从理论家的角度对单层和双层石墨烯的物理学进行了深入的描述。我们讨论了石墨烯在外加磁场中的物理性质，反映了零能朗道能级的狄拉克点附近准粒子的手征性质。我们解决了独特的整数量子霍尔效应，电子相关的作用，以及最近观察到的分数量子霍尔效应在单层石墨烯。双层石墨烯中的量子霍尔效应与单层石墨烯有着本质的不同，反映了这一体系独特的能带结构。在没有外部磁场的运输理论进行了详细讨论，随着各种理论模型中研究的无序的作用。我们强调单层和双层石墨烯之间的差异和相似之处，并专注于热力学性质，如可压缩性，等离子体光谱，弱局域化校正，量子霍尔效应，和光学性质。由于克莱因隧穿，石墨烯中电子的限制是不平凡的。我们回顾了石墨烯量子受限结构的各种理论和实验研究。石墨烯纳米带的能带结构以及亚晶格对称性、边缘几何形状和纳米带尺寸对电子和磁性的影响是非常活跃的研究领域，本文对这些主题进行了详细的综述。讨论了衬底相互作用、吸附原子、晶格缺陷和掺杂对有限尺寸石墨烯系统能带结构的影响。我们还包括一个简要的描述graphane - gapped材料获得的石墨烯通过连接氢原子的每个碳原子在晶格中。
2010-03-01 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
From Filter Paper to Functional Actuator by Poly(ionic liquid)-Modified Graphene Oxide
通过在滤纸上沉积聚（离子液体）改性的氧化石墨烯片（GO-PIL）的薄膜，将由通常具有互连孔结构的混合纤维素酯组成的市售膜滤纸转化为刺激响应性双层致动器。在丙酮蒸气中，所合成的双层致动器容易以快速弯曲成多个环，其中GO-PIL顶膜向内。在拉回空气中时，致动器恢复其原始形状。顶部GO-PIL膜和底部多孔滤纸朝向有机蒸气的不对称溶胀提供了有利的协同功能以驱动致动。混合膜中的PIL聚合物链被证明对于增强GO片和相邻滤纸之间的粘附强度以避免界面分层并因此改善力传递至关重要。整体构造允许双层致动器在恒定操作下的延长的寿命，特别是当与没有PIL的GO/滤纸双层致动器相比时。
2016-09-06 cond-mat.mtrl-sci
Microwave heating as a universal method to transform confined molecules into armchair graphene nanoribbons
扶手椅型石墨烯纳米带（AGNRs）具有中等的直接带隙，是制备新型纳米器件的潜在材料。AGNR通常通过在基底表面聚合前体分子来合成。但是，它很耗时，不适合大规模生产。AGNR也可以通过炉退火在单壁碳纳米管内转化前体分子来生长，但所获得的AGNR通常是扭曲的。在这项工作中，微波加热应用于前体分子转化成AGNRs。快速加热过程允许在几秒钟内合成AGNR。几种不同的分子被成功地转化为AGNRs，这表明它是一种通用的方法。更重要的是，拉曼光谱，像差校正的高分辨率透射电子显微镜和理论计算表明，较少扭曲的AGNRs合成的微波加热比炉退火。我们的研究结果揭示了一条快速大规模生产AGNRs的路线，这将有利于未来在新型AGNRs基半导体器件中的应用。
2023-01-24 cond-mat.mtrl-sci
Chemically induced graphene to diamond transition: a DFT study
石墨烯转化为金刚石是一种无压制备金刚石薄膜的新方法。本文采用系统的第一性原理计算，研究了在无压条件下，插入15种金属原子，表面氢化双层石墨烯（SHBG）向表面氢化单层金刚石（SHSLD）的转变机理。与不含金属原子的构型相比，SHBG在单一金属原子的作用下，在热力学上可以自发地转变为SHSLD，在Hf原子的作用下，其形成能甚至可以从0.82 eV下降到-5.79 eV。结果表明，金属原子的外层电子轨道和原子半径是影响转换的两个重要因素。为了发生相变，金属原子需要具有足够的空d轨道，并且金属原子的半径在0.136-0.159 nm的范围内。进一步分析发现，SHBG中碳原子的p轨道和金属原子的d轨道会发生强杂化，从而促进转化。这一结果对氢化石墨烯无压制备金刚石的实验研究具有重要意义。
2022-05-09 cond-mat.mtrl-sci physics.comp-ph
Tunability of Magnetic Anisotropy of Co on Two-Dimensional Materials by Tetrahedral Bonding
本文通过预测Co在h-BN和石墨烯上的磁化重取向，发现界面处sp$^3$与d轨道形成的四面体键合是调控磁各向异性的关键机制，为二维材料磁性调控提供了新途径。
2019-01-11 cond-mat.mtrl-sci
Experimental observation of spin-split energy dispersion in high-mobility single-layer graphene/WSe2 heterostructures
邻近诱导的自旋轨道耦合在石墨烯中已经导致观察到有趣的现象，如时间反演不变的$\mathbb{Z}_2$拓扑相位和自旋轨道过滤效应。如果要将这些令人兴奋的观测结果转化为现实世界的应用，了解自旋轨道耦合对石墨烯能带结构的影响是必不可少的。在这篇研究文章中，我们报告了实验测定的能带结构的单层石墨烯（SLG）在存在强邻近诱导的自旋轨道耦合。我们通过测量量子振荡在高迁移率hBN封装的SLG/WSe 2异质结构中实现了这一点。我们观察到清晰的自旋分裂的石墨烯带随着费米速度的大幅增加。使用一个理论模型与现实的参数，以适应我们的实验数据，我们发现的SLG的带隙开放和带反转的证据。此外，我们建立的低能量能带结构从原始的SLG的偏差主要是由谷塞曼SOC和Rashba SOC，与Kane-Mele SOC无关紧要。尽管强有力的理论预测和观测带分裂，定量测量的自旋分裂的价带和导带和随之而来的低能量色散关系SLG是失踪-我们的实验和理论研究相结合，填补了这一空白。
2022-10-17 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Designed Three-Dimensional Freestanding Single-Crystal Carbon Architectures
单晶碳纳米材料导致了纳米技术的巨大进步。第一个单晶碳纳米材料富勒烯是以零维形式制造的。一维碳纳米管和二维石墨烯随后出现，并继续为这一领域提供进一步的动力。在这项研究中，我们制造设计的三维（3D）单晶碳结构，通过使用碳化硅模板。对于这种方法，通过执行简单的单步热处理，将设计的3D SiC结构转化为保留原始SiC结构的3D独立单晶碳结构。3D碳结构内部的SiC结构是自蚀刻的，这导致3D独立的碳结构。3D碳结构是具有与石墨烯相同的六方密堆积结构的单晶。碳结构的尺寸可以从纳米级控制到微米级，并且这些结构的阵列可以按比例放大到晶片级。发现3D独立碳结构即使在重复加载之后也是机械稳定的。研究了碳结构的可逆机械变形与其电导之间的关系。我们制造设计的3D独立单晶石墨烯架构的方法开辟了单晶碳纳米材料领域的前景，并为3D单晶碳器件的开发铺平了道路。
2014-12-01 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Raman and IR spectra of water under graphene nanoconfinement at ambient and extreme pressure-temperature conditions: a first-principles study
该研究用第一性原理模拟计算石墨烯纳米限域水在环境及极端温压下的 Raman/IR 光谱，揭示氢键网络、离子相和超离子流体转变特征。
2023-08-18 cond-mat.mtrl-sci physics.chem-ph physics.comp-ph
