Structure and Energetics of Graphene Oxide Isomers: Ab Initio Thermodynamic Analysis
氧化石墨烯（GO）在电子器件和纳米复合材料方面具有重要的应用前景。提出了许多模型的GO结构，结合羧基，羟基，羰基和环氧基团在不同的位置。GO异构体的复杂性和多样性，其热力学稳定性和形成动力学取决于应用条件，使得以原子级精度确定GO结构具有挑战性。我们报告高层次的理论研究的多个分子配置，这是预期在GO。我们的结论是，在GO表面的所有含氧基团是热力学允许的，而边缘位置是系统地比中心和侧部位置更有利。我们讨论了一种潜在的新型的化学键或键合增强GO，它由一个共价键和一个强大的静电贡献极化石墨烯平面。我们观察和分析氧化后石墨烯几何形状和电子结构的显着修改。所报道的热力学数据指导旨在破译GO化学组成和结构的实验，并形成预测纳米技术应用所需的GO性质的基础。
2015-07-11 cond-mat.mtrl-sci
Electron cascades and secondary electron emission in graphene under energetic ion irradiation
高能离子穿过诸如石墨烯的二维材料产生强电子激发。被激发到高于功函数的能态的电子可以引起次级电子发射，从而减少在离子撞击之后保留在石墨烯上的能量的量。电子可以被发射（动能转移）或被通过的离子捕获（势能转移）。为了阐明这种行为是不存在的三维材料中，我们模拟的电子动力学在石墨烯在第一飞秒离子撞击后。我们采用两种概念上不同的计算方法：基于蒙特卡罗（MC）的，其中电子被视为经典粒子，和时间相关的密度泛函理论（TDDFT），其中电子被描述的量子力学。我们观察到，电子发射的线性依赖于沉积的能量，出现从MC模拟，成为次线性和更接近TDDFT值时，考虑到通过互补的粒子在细胞中的模拟发射的电子与石墨烯的静电相互作用。我们的TDDFT模拟结果表明，电子捕获的概率随着离子速度的增加迅速下降，而次级电子发射占主导地位，在高速政权。我们估计，这些过程将沉积在石墨烯层中的能量减少了15%到65%，这取决于离子及其速度。这一发现清楚地表明，电子发射必须考虑在离子辐照下的二维材料的损伤产生时建模。
2020-11-30 cond-mat.mtrl-sci
Cohesion Energetics of Carbon Allotropes : Quantum Monte Carlo Study
我们利用量子MonteCarlo方法研究了碳同素异形体的结合能，包括$sp^3$ -键合金刚石，$sp^2$ -键合石墨烯，$sp$ - $sp^2$杂化石墨烯和$sp$ -键合碳炔.计算的结合能的金刚石和石墨烯被发现是在极好的协议与相应的值实验确定的金刚石和石墨，分别，当零点能量，以及层间结合的情况下，石墨，包括在内。我们还发现，随着$sp$键合的碳原子的比例增加，石墨炔的结合能系统地降低。能量最稳定的石墨炔$γ$ -石墨炔的结合能为6.766（6）eV/原子，比石墨烯的结合能小0.698（12）eV/原子。合成石墨炔的实验困难可以通过它们显著较小的内聚能来解释。最后，我们得出结论，一个新提出的石墨炔的结合能可以准确地估计与碳-碳键能确定的石墨烯和三个不同的石墨炔的结合能在这里考虑。
2014-01-03 cond-mat.mtrl-sci
Structure stability and magnetism in graphene impurity complexes with embedded V and Nb atoms
采用第一性原理密度泛函理论（DFT）研究了V和Nb原子嵌入单空位和双空位石墨烯的过程。对于MV/DV石墨烯中的V/Nb嵌入，验证了完全/几乎完全的自旋极化。磁性的起源是通过嵌入过渡金属原子的3d态与嵌入位置附近的不等价C原子的p态的相互作用来确定的。通过能带结构分析研究了石墨烯在V/Nb原子嵌入的少子自旋通道中的半导体行为。等值面图也证实了本纳米系统的磁性。我们的结果表明，这些纳米系统具有未来应用的潜力，例如自旋电子学、能源和高频晶体管。
2015-11-20 cond-mat.mtrl-sci
Embedded trilayer graphene flakes under efficient tensile and compressive loading
嵌入ABA三层石墨烯片加载在聚合物梁上的拉伸和压缩的机械响应通过G或2D峰的应变灵敏度通过同时拉曼测量来监测。所研究的薄片的一个特性是它包含三层和双层部分。Bernal堆叠双层用作应变传感器，旨在评估通过剪切从聚合物基质到各个石墨烯层的负载转移的效率。对于处于拉伸状态的三层石墨烯，两个峰都发生了红移，并且首次报道了G峰的分裂。在压缩，所研究的样品是一个几乎孤立的三层，其中两个峰蓝移到一个临界压缩应变。发现该临界应变是在单层石墨烯的情况下发现的值的四分之一，尽管三层比薄得多的单层表现出更高的弯曲刚度。
2016-07-18 cond-mat.mtrl-sci
Metallic nanolines ruled by grain boundaries in graphene: an ab initio study
我们已经进行了从头算研究的能量稳定性，和电子性质的过渡金属（TM = Mn，Fe，Co和Ru）吸附在石墨烯上的存在下的晶界（GB）。我们的研究结果揭示了一个充满活力的偏好TM躺在沿GB网站（TM/GB）。这种能量偏好已经通过增加TM吸附原子的浓度而得到加强;产生由GB统治的石墨烯上的TM纳米线。Fe吸附原子的进一步扩散势垒计算支持这些TM纳米线的形成。我们发现，平行于GBs的能量势垒略低于无缺陷石墨烯的能量势垒，而垂直于GBs的Fe吸附原子面临更高的能量势垒。Fe和Co（Mn）纳米线是铁磁性的（亚铁磁性的），相比之下，Ru纳米线的磁性状态对Ru/GB吸附几何结构敏感。这些TM纳米线的电子性质，其特征在于通过广泛的电子能带结构计算。金属纳米线的形成是由TM和石墨烯（$π$）轨道之间沿GB位点的强杂化介导的。由于TM纳米线的净磁化，我们的能带结构结果表明，一些TM/GB系统的各向异性（自旋极化）的电子电流。
2015-10-07 cond-mat.mtrl-sci
Three-Stage Synthesis of a Cobalt-Embedded Graphene-like Carbon Framework with Long-Range Atomic Order
Institute of Microelectronics Technology RAS（俄罗斯科学院微电子技术研究所）；Samara National Research University（萨马拉国立研究大学）；Faculty of Biology, Lomonosov Moscow State University（莫斯科罗蒙诺索夫国立大学生物学院）；Moscow Institute of Physics and Technology（莫斯科物理技术学院）
本研究通过三阶段方法合成钴原子共价嵌入且长程有序的二维CoGLC材料，并利用电化学剥离制备无表面活性剂导电墨水，展示其在柔性电子、自旋电子学和电催化中的应用潜力。
2025-10-19 cond-mat.mtrl-sci
Compression behavior of simply-supported and fully embedded monolayer graphene: theory and experiment
简单支撑在聚合物基底上的单层石墨烯经受轴向压缩，并且用激光拉曼光谱（LRS）监测其在加载时的行为。如通过将光谱数据转换为实际应力-应变曲线所揭示的，发现石墨烯在约0.30%的临界应变和约1.6GPa的压缩应力下通过弯曲（屈曲）而失效。这与完全嵌入情况下失效开始所需的-0.60%值和约3.8 GPa应力形成对比。为了阐明在两种情况下检查的故障机制，分子动力学模拟采用AIREBO潜力进行。我们评估的影响，表面粗糙度，石墨烯-聚合物的相互作用，和热（声子）波纹上的皱纹形成的发病。理论与实验结果总体上吻合较好。如本文所述，理解和控制石墨烯机械加载时的面外现象是新的石墨烯基器件的设计和功能的重要先决条件。
2018-04-26 cond-mat.mtrl-sci
Wetting and energetics in nanoparticle etching of graphene
熔融金属纳米颗粒最近已被用于构建具有晶体学边缘的石墨烯纳米结构。然而，这种情况发生的机制仍不清楚。在这里，我们提出了一个简单的模型，解释了液滴如何蚀刻石墨烯。两个因素可能有助于这个过程：石墨烯的平衡润湿性和支持它的衬底之间的差异，或与石墨烯边缘相关的大表面能。我们计算由于这些因素中的任何一个的蚀刻速度，并进行可测试的预测，以评估每个石墨烯蚀刻的意义。该模型具有通用性，也可应用于其它材料体系。作为一个例子，我们展示了我们的模型可以用来扩展目前的理论液滴运动的二元半导体表面。
2010-08-12 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft
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
Graphene Lattices with Embedded Transition-Metal Atoms and Tunable Magnetic Anisotropy Energy: Implications for Spintronic Devices
在石墨烯晶格中掺杂过渡金属原子以获得高的磁各向异性能（MAE）是材料研究的重要目标，这是由于其在自旋电子学中的潜在应用。本文利用自旋极化密度泛函理论（densityfunctionaltheory，DFC），结合自旋轨道耦合，研究了含空位缺陷的石墨烯（nitrogen-doped graphene）的磁性，包括裸石墨烯和氮修饰石墨烯，以及Cr，Mn和Fe过渡金属单原子（TM-SA）和两种不同的TM原子同时掺杂石墨烯的磁性。[...]计算结果的补充原子分辨率表征的附带Mn杂质键合到四个碳原子，其本地化的自旋匹配预期使用芯级电子能量损失谱测量。具有强磁性的导电TM掺杂石墨烯为石墨烯基自旋电子器件的设计提供了前景。
2022-01-11 cond-mat.mtrl-sci
Silicon and silicon-nitrogen impurities in graphene: structure, energetics and effects on electronic transport
我们从理论上研究了石墨烯中硅和硅氮杂质的原子结构和能量学。利用密度泛函理论，我们可以深入了解杂质的原子结构，评估它们的形成能并评估它们在现实样品中的丰度。我们发现，氮，以及氧和氢，被困在硅杂质，大大改变了系统的电子特性。此外，我们表明，氮掺杂可以诱导局部磁矩导致自旋相关的输运性质，即使硅和氮杂质本身都是磁性的。为了模拟具有许多随机分布的杂质的大系统，我们推导出描述杂质对石墨烯π电子结构的影响的紧束缚模型。然后利用线性标度的实空间Kubo-Greenwood方法，计算了杂质随机分布大系统的输运性质，得到了每种杂质的类指纹散射截面.输运性质变化很大，我们的研究结果表明，一些杂质甚至可以在实际的石墨烯样品中诱导强烈的局域化。
2015-08-31 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Ab-initio energetics of graphite and multilayer graphene: stability of Bernal versus rhombohedral stacking
人们对扭曲双层石墨烯中的超导性的观察感到非常兴奋，这种超导性与接近费米能级的平带有关。这种相关的电子态也发生在多层菱面体堆叠的石墨烯（RG）中，这在过去几年中受到越来越多的关注。然而，在天然和人造样品中，多层堆叠的Bernal石墨烯（BG）更频繁地出现，使得需要确定它们的相对稳定性以及在哪些条件下RG可能是有利的。在这里，我们使用第一性原理计算研究了BG和RG的能量学以及多层堆叠的石墨烯。它表明，电子温度，没有占在以前的研究中，起着至关重要的作用，在确定哪个阶段是首选。我们还表明，在室温下的低能态包括BG，RG和混合BG-RG系统具有特定类型的接口。计算了N = 12层时所有堆垛序列的能量，并用伊辛模型进行拟合，该模型也适用于较大的N层。通过这种方式，可以根据一些参数来确定和分析低能SS的排序。我们的工作澄清了文献中不一致的结果，并为在第一性原理计算中研究外部因素对多层石墨烯体系稳定性的影响奠定了基础。
2021-02-24 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Energetics, electronic states, and magnetism of iron phthalocyanine on pristine and defected graphene layers
过渡金属酞菁（TMPc）在自旋电子学领域受到严格审查，因为它们可能是有前途的存储器件。这种分子的简单和廉价增加了它们的商业潜力。人们正在积极研究如何改变这种分子金属中心的磁矩。在这里，我们特别考虑石墨烯层上的铁酞菁分子（FePc）作为基底。我们研究了石墨烯缺陷（Stone-Wales缺陷、B掺杂、N掺杂、S掺杂以及B（N，S）掺杂的Stone-Wales缺陷）如何改变FePc的电子结构。我们提出了从头算研究的系统，这是使用几种方法：基于周期性平面波密度泛函理论（DFT），线性组合的原子轨道（LCAO）DFT与石墨烯的集群表示，和multiconfigurational方法与芘分子作为一个graphenised石墨烯集群。首次采用多构型方法对FePc/石墨烯杂化体系进行了处理。结果表明，掺杂B和N的杂化体系具有准简并基态，必须超越一个Slater行列式的近似。
2022-10-03 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.other
Layer Response Theory: Energetics of layered materials from semi-analytic high-level theory
我们提出了一个易于计算的半解析层响应理论（LRT）的分析涉及二维层，如BN或石墨烯的内聚能量。该理论近似随机相位近似（RPA）相关能量。它的RPA特性确保了能量对于分离良好的层具有正确的范德华渐近性，与简单的成对原子-原子理论相反，该理论对于具有零电子能隙的层定性地失败。与此同时，我们的理论比完全RPA能量的计算密集度低得多。它也给出了准确的相关能量附近的结合最小值，相反，Lifshitz型理论。我们成功地将我们的LRT理论应用于石墨和BN，以及石墨烯-BN异质结构。
2016-04-10 cond-mat.mtrl-sci
A Different Perspective on Superconductivity in Crystalline Graphene: Exploiting Energetics
University of Chicago（芝加哥大学）；Florida Atlantic University（佛罗里达大西洋大学）
本文提出“双母体”能量学框架，利用一阶相变简并性解释晶体石墨烯中超导性广泛但局限于边界区域的谜团，无需指定配对吸引细节，并指出超导会选择净自由能增益最大的正常态母体。
2026-10-01 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.supr-con
Failure Processes in Embedded Monolayer Graphene under Axial Compression
将剥离的单层石墨烯薄片嵌入聚合物基质中并在轴向压缩下加载。通过监测载荷下不同尺寸矩形薄片的二维拉曼声子的位移，确定了临界破坏应变。在加载之前，注意薄片的检查区域没有残余应力。发现第一次失效的临界应变值与薄片尺寸无关，平均值为-0.60%，对应于-6 GPa的屈服应力。通过将欧拉力学与温克勒方法相结合，我们表明，与空气中的屈曲不同，聚合物约束的存在导致石墨烯在固定的应变值下屈曲，估计皱纹波长为1-2 nm。这些结果进行了比较与DFT计算模拟晕苯/ PMMA低聚物，并获得了合理的协议。
2016-06-11 cond-mat.mtrl-sci
MN4 Embedded Graphene Layers: Tunable Decay Rate of RKKY Interaction
制备具有长程交换作用的二维磁性层是发展高性能自旋电子器件的重要任务之一。MN 4嵌入石墨烯（MN 4-G）层，其中M是过渡金属元素，是实验上可获得的2D层，其表现出有趣的磁性。本文利用自旋极化密度泛函理论（SP-DFT）研究了磁性层MN 4-G（M = Fe，Mn，Co）的间接M-M交换作用，证明了磁性磁性层MN 4-G是具有Ruderman-Kittel-Kasuya-Yosida（RKKY）相互作用的二维各向异性磁性层.通过研究各种M-M间隔物的M原子的电子构型，我们证明了在这样的层中的RKKY相互作用是可调谐的，并且表现出不寻常的长时间衰减（r的负n次方，n在0.5和2之间）。此外，我们调查的CuN 4部分的石墨烯主机的影响，并表明，在相反的其他MN 4-G，2D CuN 4-G层的行为作为解耦的一维自旋链，无论间隔的长度。
2022-07-23 cond-mat.mtrl-sci
Stability and magnetization of free-standing and graphene-embedded iron membranes
最近的实验实现单层铁膜在石墨烯穿孔的启发，我们进行从头计算嵌入在石墨烯中的铁单层和膜，以评估其结构稳定性和磁化。我们表明，单层铁有一个更大的自旋磁化每原子比散装铁和嵌入在石墨烯中的铁膜表现出自旋磁化单层铁。我们发现，独立的单层铁是结构上更稳定的三角形晶格相比，无论是正方形和蜂窝晶格。这与嵌入的Fe膜形成正方形晶格的实验观察相矛盾。然而，我们发现，嵌入在石墨烯穿孔的铁膜可以更稳定的正方形晶格配置相比，三角形。此外，我们发现正方形晶格具有较低的边缘形成能，这意味着正方形Fe晶格在膜形成期间可能是有利的。
2014-11-19 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Structure of graphene oxide: thermodynamics versus kinetics
氧化石墨烯（GO）是制备石墨烯的重要中间体，也是一种用途广泛的材料。然而，尽管它的重要性，GO的详细结构仍然不清楚。例如，先前基于能量学的理论研究已经表明羟基链是GO的重要结构基序，然而，发现这与核磁共振（NMR）实验相反。在这项研究中，我们检查热力学和动力学方面以前错过了。第一性原理热力学给出了类似于基于能量学的基于自由能的稳定性排序，并且羟基链因此在热力学上仍然是有利的。同时，通过对计算的振动频率进行检验，我们注意到羟基链结构也与红外实验不一致。因此，在GO合成过程中的动力学预计将在GO结构中发挥重要作用。过渡态计算预测局部极小值之间的大的能量势垒，这表明实验获得的GO具有动力学约束结构。
2011-02-18 cond-mat.mtrl-sci
Realization of Kane-Mele Model in $\pmb X\bf{N_4}$-Embedded Graphene ($\pmb X$=Pt, Ir, Rh, Os)
嵌入有过渡金属氮化物的单层石墨烯（即，$X$ N $_4$），其中过渡金属原子与四个氮原子一起作为单元嵌入石墨烯中以形成稳定的平面单原子厚度结构。我们利用第一性原理计算和紧束缚模型对这些$X$ N $_4$嵌入石墨烯的结构、电子和拓扑性质进行了系统的研究。我们发现$X$ N $_4$嵌入的石墨烯（$X$ =Pt，Ir，Rh，Os）可以打开容纳\emph{two-dimensional} $\mathbb{Z}_2$拓扑绝缘体的拓扑非平凡带隙。我们进一步表明，带隙附近的低能带可以被一个修改的凯恩-梅勒模型哈密顿量完美地捕获。我们的工作不仅提供了实现\emph{two-dimensional} $\mathbb{Z}_2$拓扑绝缘体的非常罕见的具体二维材料，而且使石墨烯体系在承载Kane-Mele型$\mathbb{Z}_2$拓扑绝缘体方面成为现实。
2022-02-01 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Graphene quantum dots embedded in hexagonal boron nitride sheets
采用第一性原理计算对石墨烯量子点嵌入六方氮化硼单层片中的电子性质进行了研究。密度泛函理论计算表明，量子点的带隙是由B、N和C原子的量子限域效应和π轨道杂化决定的。费米能级附近的能量状态被发现是强烈的本地化内和附近的量子点。
2010-09-28 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Reconstruction of Zigzag Graphene Edges: Energetics, Kinetics and Residual Defects
采用从头计算方法研究了锯齿形石墨烯边缘的连续重构。根据所获得的能量分布沿反应途径，第一重建步骤，形成的第一五边形-七边形对，是最慢的，而已经成核的重建边缘域的增长应该稳定地发生在一个更高的速率。只有1/4的情况下，当它们接触时，畴合并成一个，而在其余的情况下，残留缺陷被留下。研究了这些缺陷的结构、能量和磁性。结果表明，在低于1000 K的温度下，完全重构的边缘不可能自发形成成对的残余缺陷（即自发畴成核）.使用的动力学模型，我们表明，平均域长度是几个$\mathrmμ$ m在室温下，它呈指数下降时，增加的温度下发生的重建。
2022-11-04 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Functionalizing graphene by embedded boron clusters
我们提出了一个模型系统，可以作为一个蓝图的石墨烯为基础的纳米器件的控制布局。该系统由注入石墨烯基质中的B7簇链组成，其中硼簇不直接连接。我们表明，石墨烯基质很容易接受这些交替的硼链，并且注入的硼成分可能会显着改变石墨烯基纳米材料的电子性质。这表明石墨烯纳米材料的功能化，其中半导体性质可能由石墨烯基质本身的部分补充，但基本布线将由连接这些区域的注入硼簇的交替链提供。
2008-07-25 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.other
Vibration analysis of a pre-stressed graphene sheet embedded in a deformable matrix
通过基于非局部Kirchhoff板理论的理论公式，研究了初始单轴应力和周围弹性基体对单层石墨烯片（SLGS）横向振动响应的影响. SLGS的周围弹性矩阵被建模为Pasternak型的基础。用瑞利法求解了预应力SLGS动力学的椭圆型偏微分方程。分析的数值结果表明，SLGS的振动响应对模型控制参数的变化具有不同程度的敏感性。数学模型中各控制参数的Pareto图表明，地基的剪切模量对SLGS的基本固有频率影响最大。小尺度效应被发现有更显着的效果上的SLGS的振动响应时，它是完全固定在四个边缘。
2015-07-24 cond-mat.mtrl-sci
Novel one-pot sol-gel synthesis route of Fe3C/few-layered graphene core/shell nanoparticles embedded in a carbon matrix
提出一锅两步表面活性剂溶胶-凝胶法，在碳基体中制备少层石墨烯包覆的单相 Fe3C 核壳纳米颗粒，并验证其结构、磁性与耐腐蚀稳定性。
2023-09-24 cond-mat.mtrl-sci
Embedded Ribbons of Graphene Allotropes: An Extended Defect Perspective
四种基本的二聚体操作可以用于在石墨烯中产生各种局部和扩展的缺陷结构。二维模板导致石墨烯同素异形体，在这里被视为扩展的缺陷，其可以表现出金属或半导体的电特性。\emph{Embedded allotropic ribbons} --即新同素异形体的薄带--也可以在石墨烯中产生。我们研究了这些带状物，发现它们保持了它们的母体同素异形体的电特性，即使只有几个原子的宽度。这样的扩展缺陷可以促进单片电子电路的构造。
2010-07-20 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci quant-ph
Polymer-embedded molecular junctions between graphene sheets: A Molecular Dynamics study
聚合物纳米复合材料中的热传导取决于几个参数，包括纳米颗粒的热导率和几何特征、颗粒负载、它们的分散程度和分散网络的形成。为了提高独立式导电纳米颗粒之间的热接触效率，先前提出了。这项工作首次报告了石墨烯聚合物纳米复合材料内的分子结的研究。采用分子动力学模拟研究了聚合物紧密接触时分子结的热传输效率，定量分析了聚二甲基硅氧烷（PDMS）包围石墨烯和分子结时分子结的贡献.在PDMS/石墨烯模型的热导率的一个很强的依赖性被发现，与短的和构象刚性的分子结获得最好的性能。
2021-01-22 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Structure and Electronic States of a Graphene Double Vacancy with an Embedded Si Dopant
硅代表石墨烯中常见的本征杂质，通常分别与单碳空位或双碳空位中的三个或四个碳相邻物键合。我们采用密度泛函理论（DFT）研究了后一种缺陷（Si-C $_4$）对石墨烯结构和电子性质的影响。已经进行了基于分子模型和周期性边界条件的计算。二碳空位由芘（芘-2C）构成，然后扩展为环芘-2C。这些情况下的结构表征表明，基态是轻微的非平面，与键合碳从平面位移高达$\pm$ 0.2埃。通过将缺陷嵌入石墨烯的10 $\times$ 8超晶胞中来确认这种非平面结构，导致比先前考虑的平面结构低0.22 eV的能量。自然键轨道（NBO）分析表明非平面结构的硅原子上的sp $^3$杂化和平面结构的sp $^2$ d杂化。原子分辨电子能量损失谱（EELS）和相应的光谱模拟提供了一个混合的图片：一个平坦的结构提供了一个稍微好一点的整体光谱匹配，但一个小的观察到的前峰只存在于波纹模拟。考虑到两个等效波纹构象之间的能量势垒很小，这两种结构都可以在几秒钟的实验时间尺度上作为叠加存在。
2017-11-20 cond-mat.mtrl-sci
Potential-Induced Dynamic Coordination of Nonmetal Atoms Directly Bound to Metal Centers in Graphene-Embedded Single-Atom Catalysts and Its Implications
Anhui Provincial Collaborative Innovation Center for Advanced Functional Composite Materials, College of Physics and Electronic Engineering, Huaibei Normal University（淮北师范大学物理与电子工程学院安徽省先进功能复合材料协同创新中心）
研究揭示电位调控非金属原子配位动态，通过理论与实验揭示氢化机制及配位环境重构，指导单原子催化剂设计。
2026-02-04 cond-mat.mtrl-sci
Graphene physics and insulator-metal transition in compressed hydrogen
压缩的氢气穿过一系列的分层结构，其中这些层可以被视为扭曲的石墨烯片。这些层状结构的电子结构可以通过研究简单的模型系统来理解-一个理想的单氢石墨烯片和由这种片组成的三维模型晶格。能量稳定的结构由模型石墨烯基系统的结构畸变引起，所述结构畸变归因于朝向Peierls的电子不稳定性或与带隙的打开相关联的其他畸变。两个因素在压缩氢的金属化中起关键作用：（i）由于拓扑结构导致的六方或石墨烯类层中的导带和价带的交叉，以及（ii）具有$2p_z$ $π$特征的键合态的形成。
2013-05-20 cond-mat.mtrl-sci
Oriented Graphene Nanoribbons Embedded in Hexagonal Boron Nitride Trenches
石墨烯纳米带（GNR）是石墨烯的超窄条，其具有用于高性能石墨烯基半导体电子器件的潜力。然而，GNR在介电衬底上的受控生长仍然是一个挑战。在这里，我们报告的成功增长GNRs直接在六方氮化硼衬底上具有光滑的边缘和可控的宽度，使用化学气相沉积。该方法是基于一种类型的模板生长，其允许在六方氮化硼上的纳米沟槽中的单层GNRs的平面内外延，其中边缘遵循Z字形方向。嵌入式GNR通道显示出优异的电子性能，即使在室温下。GNR的这种与集成电路处理兼容的面内异质集成产生了具有几个苯环宽度的带隙沟道，使得能够开发基于GNR的数字集成电路。
2017-03-09 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
BN-embedded monolayer graphene with tunable electronic and topological properties
本文提出低BN掺杂的h-BNC体系可用于石墨烯能带工程，通过第一性原理与紧束缚模型发现能隙随BN浓度线性可调，且保留拓扑性质，为室温谷电子学应用提供可能。
2023-11-30 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Photonic band gap of a graphene-embedded quarter-wave stack
在这里，我们提出了一种机制，用于定制的光子能带结构的四分之一波长堆叠，而不改变其物理周期通过嵌入导电片。石墨烯被用作一个现实的，二维的导电片和研究。在石墨烯嵌入的四分之一波长堆叠中，布拉格散射和石墨烯电导贡献的协同作用在降低的布里渊区的中心处打开光子带隙，这在传统的四分之一波长堆叠中不存在。这种光子带隙在固定的较低的带隙边缘处显示出巨大的、与损耗无关的光学态密度，其特征频率为四分之一波长堆叠的偶数倍。这种新型的导电片诱导的光子带隙为增强光与物质的相互作用提供了一个新的平台。
2013-11-27 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci physics.optics
Stability of Two-Dimensional Iron-Carbides Suspended across Graphene Pores: First-principles Particle Swarm Optimization
受最近二维金属和合金的实验实现的启发，我们从理论上研究了单层（ML）Fe-C化合物和纯Fe的稳定性和电子性质。根据我们和其他人的理论结果，实验[Science 343，1228（2014）]提出嵌入石墨烯（Gr）孔中的ML纯Fe正方形晶格与Gr中的Fe三角形晶格相比在能量上是不稳定的。为了解决上述矛盾，我们使用从头算粒子群优化技术寻找不同Fe/C比的ML Fe-C（作为Gr中ML Fe的推广）的稳定结构。发现了嵌入Gr中的Fe_1C_1正方晶格，从正方晶格的形状、Fe-Fe晶格常数和能量考虑，我们提出并证明了实验中观察到的正方晶格是铁的碳化物（Fe-C），而不是纯Fe。注意，不能从实验中排除C与Fe的共存。更重要的是，我们发现了一种能量最低、动力学稳定的结构，ML Fe_2C_2与Fe原子形成畸变的正方晶格。由于C和Fe之间显著的轨道杂化，预测了不同的2D Fe-C结构在费米能级附近的高自旋极化。
2015-09-06 cond-mat.mtrl-sci
Tunable Atomically Wide Electrostatic Barriers Embedded in a Graphene WSe2 Heterostructure
本文利用STM针尖在石墨烯-WSe2异质结构中创建并连续调控由1T-WSe2铁弹性畴边界诱导的原子级宽度一维静电势垒，从而将量子点从相对论性人造原子转变为人造分子。
2023-10-30 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
Insights into nanoparticle shape transformation by energetic ions using atomistic simulations
嵌入介电基质中的金属纳米颗粒的形状影响复合材料的光学性质。快速重离子辐照可以在嵌入无定形二氧化硅中的金和其他金属中诱导可控的形状转变，其中颗粒沿着离子束的方向伸长。这种转变的细节还没有完全弄清楚，但它可能与单个离子碰撞引起的纳米级相变有关。这一现象已被再现使用原子模拟，虽然时间尺度的限制和缺乏准确的原子间模型内的金属-二氧化硅界面导致不可避免地严重简化。我们提高了现实主义的模拟与金和二氧化硅之间的表面粘附力的准确模型，并通过模拟在矩阵之间的影响的过程。具有正确粘附力的模拟表明，即使在二氧化硅固化后，纳米颗粒也可以在熔融状态下以纵横比生长。此外，我们证明了矩阵的积极作用：没有明确的建模过程之间的矩阵的影响，伸长率是有限的，并没有达到显着的纵横比在实验中看到。这些结果显着提高了快速重离子辐照下的嵌入式纳米粒子的发展过程的理论理解。这些知识提出了离子束技术作为一种精确的工具，用于各种光学应用的嵌入式纳米结构的成形。
2022-04-21 cond-mat.mtrl-sci
Energetics and stability of nanostructured amorphous carbon
蒙特卡罗模拟，补充从头计算，揭示了纳米结构的非晶碳的能量学和热力学稳定性。嵌入的纳米晶体与主机非晶基体的相互作用示出，以确定在很大程度上的稳定性和碳相之间的相对能量差。金刚石在sp^3分数超过60%的基质中是稳定的结构。黑素体在低协调网络中稳定。其他sp^2键结构是亚稳态的。
2006-05-11 cond-mat.mtrl-sci
Energetic stability and spatial inhomogeneity in the local electronic structure of relaxed twisted trilayer graphene
利用$θ$和$θ'$方法研究了一般扭曲三层石墨烯（TTG）的能量稳定性和局域电子结构.在周期性边界条件下，建立了用$θ$和$1^{\circ}\sim 2^{\circ}$中的$θ^{\prime}$构成的Moiré-of-Moiré超晶格的近似超原胞来描述弛豫TTG的结构和电子性质.完全弛豫表明，与$θ=θ^{\prime}$相称的TTG在固定的$θ$处具有局部最小总能量（$E_{tol}$），而$E_{tol}$首先达到局部最大值，并开始随着$θ^{\prime} < θ$的$θ^{\prime}$的减小而下降。一些区域在顶层和底层中表现出增强的面内弛豫，但在中间层中表现出抑制的弛豫，并形成具有莫尔-莫尔长度尺度的六边形网络。在$1.6^{\circ}$周围的$θ$和$1.4^{\circ}$周围的$θ^{\prime}$处，三层中的原子在弛豫TTG超晶胞的原点处垂直对齐的堆叠构型在费米能级（$E_F$）附近具有高的态密度（DOS），其可以达到具有约$1.7^{\circ}$的等扭转角的镜像对称TTG的态密度。相比之下，其他一些堆栈在$E_F$周围的DOS可能相当低。一些TTG超晶胞的DOS的显着的堆叠依赖性表明，TTG的局部电子结构可以表现出强烈的空间不均匀性时，扭曲角是稍微远离那些小的超晶胞与DOS之间的大的变化不同的堆叠。此外，TTG的结构弛豫在高DOS和其强堆叠依赖性中…
2022-04-01 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Quantum Monte Carlo Benchmarking of Molecular Adsorption on Graphene-Supported Single Pt Atom
University of Illinois at Urbana-Champaign（伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校）；Konkuk University（建国大学）；Argonne National Laboratory（阿贡国家实验室）
本研究通过量子蒙特卡洛方法评估了石墨烯支撑单个铂原子上分子吸附的计算性能，揭示了DFT与DMC在吸附能预测上的差异及CO中毒问题。
2025-08-29 cond-mat.mtrl-sci
Gate-tunable artificial nucleus in graphene
我们报道了通过原子注入将单个氮（N）掺杂剂作为面内人工核在石墨烯器件中原子精确地集成，以探测其栅极可调谐量子态和相关效应。N掺杂剂在导带中产生特征共振态，揭示了相对于狄拉克点高达350 meV的巨大载流子依赖性能量重整化，伴随着观察到的长程屏蔽效应。联合密度泛函理论和紧束缚计算与修改后的微扰势证实了实验结果，并突出了短程字符的N诱导微扰。
2021-11-17 cond-mat.mtrl-sci
Subjecting a graphene monolayer to tension and compression
石墨烯片在拉伸和压缩下的机械行为使用的微束排列检查。采用了两组不同的样品，涉及仅支撑在塑料棒上但也嵌入塑料基材内的薄片。通过监测的位移的二维拉曼线与应变，应力传递效率作为应力符号和单层支撑的函数的信息。在张力下，嵌入的薄片似乎承受高达1.3%的应变，而在压缩下，在约0.7%的应变下存在薄片屈曲的指示。保持这样高的临界屈曲应变证实了嵌入单层的相对高的抗弯刚度。
2009-10-04 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Carbon rehybridization at the graphene/SiC(0001) interface: Effect on stability and atomic-scale corrugation
我们解决的能量稳定性的石墨烯/SiC（0001）界面和相关的绑定机制，通过研究一系列的低应变相称的界面结构内的密度泛函计划。在应变可忽略的结构中，6 \surd 3 \times 6 \surd 3 R30° SiC周期性显示出最低的界面能，为其频繁的实验观察提供了理论基础。界面的稳定性是由增强的局部反应性的衬底键合的石墨烯原子经历sp2-到-sp3再杂化（重杂化）。通过这种机制，更高稳定性的松弛结构在原子尺度上表现出更明显的石墨烯波纹。
2012-05-22 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Structural and Electronic Properties of Oxidized Graphene
基于第一性原理计算，我们系统地研究了氧化对石墨烯结构和电子性质的影响。确定了能量有利的原子构型和结构单元，其含有彼此紧密接近的环氧基和羟基。这些单元的不同布置产生在几eV的范围内的LDA带隙。这些结果表明，通过改变氧化水平和表面上的环氧化物和羟基官能团的相对量，可以在石墨烯中产生和调节带隙。
2009-08-21 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Signatures of magnetism in zigzag graphene nanoribbon embedded in h-BN lattice
Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology, Chinese Academy of Sciences（中国科学院上海微系统与信息研究所）；University of Chinese Academy of Sciences（中国科学院大学）；Shanghai Normal University（上海师范大学）；China University of Mining and Technology（中国矿业大学）；Changchun University of Science and Technology（长春理工大学）；CIQTEK Co,. Ltd.（清越电子（合肥）有限公司）；ShanghaiTech University（上海科技大学）；National Institute for Materials Science（日本国立材料研究所）
针对锯齿型石墨烯边缘磁性通道缺乏实验验证的问题，研究观测嵌入h-BN的zGNR的磁性特征，证实其边缘存在稳健磁有序，为石墨烯自旋电子器件研究提供了有效平台。
2025-11-17 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Tailoring energy landscape of graphene nanostructures on graphene and realizing atomically precise graphene origami using tilt grain boundaries
在二维范德华材料中，相邻层之间的相对扭转角不仅控制了它们的电子性质，而且决定了它们的堆叠能。这种效应使得更容易实现vdWs材料的能量有利的配置，例如双层石墨烯的Bernal堆叠结构。在这里，我们证明了我们可以可控地定制石墨烯纳米结构在石墨烯上的粘附能量景观，并通过使用一维倾斜晶界（GB）来稳定具有可调扭转角的系统。具有由倾斜GB分开的不同堆叠级的面积比被连续地调谐，这提供了新的自由度来定制系统的能量景观。由于倾斜GB分隔的不同堆叠顺序，我们可以沿着一维边界精确地重复折叠和展开石墨烯纳米结构，展示了实现原子级精确石墨烯折纸的能力。
2021-04-03 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Interface of graphene nanopore and hexagonal boron nitride as a sensing device
嵌入六方氮化硼中的石墨烯条的原子精确控制合成为构建具有传感应用的纳米器件开辟了新的可能性。在这里，我们探索的电子结构和量子输运的石墨烯纳米颗粒嵌入六方氮化硼的性质，使用密度泛函理论和非平衡格林函数方法相结合，计算电导。我们发现，石墨烯纳米粒子的签名被保存在透射光谱和本地电流主要局限于石墨烯域。当在系统的石墨烯部分中产生适当尺寸的纳米孔时，电子电流被限制在沿着六方氮化硼边界运行的碳链上。这种情况可以使假设的纳米器件对通过纳米孔的分子的电子性质变得高度敏感，从而开辟了基于石墨烯纳米管中实时电导调制测量的气体分子，氨基酸甚至DNA序列检测的方法。
2016-02-24 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Stable hydrogenated graphene edge types: Normal and reconstructed Klein edges
氢化的石墨烯边缘被假定为扶手椅形、锯齿形或两者的组合。我们发现，锯齿形不是最稳定的完全氢化的结构沿<2-1-10>方向。相反，氢化克莱因和重建克莱因为基础的边缘被发现是积极更有利的，稳定性接近扶手椅边缘。这些新结构“统一”了石墨烯边缘拓扑结构，最稳定的平坦氢化石墨烯边缘总是由成对键合的C2H4边缘基团组成，而不管边缘取向如何。当考虑边波纹时，CH3边群是最稳定的。这些新的基本氢终止的边缘具有重要的意义，石墨烯边缘成像和光谱学，以及石墨烯生长，纳米管切割，和nanoriginates的形成和行为的机制。
2013-09-30 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Density functional theory study of quasi-free-standing graphene layer on 4H-SiC(0001) surface decoupled by hydrogen atoms
外延生长在SiC（0001）表面的石墨烯在实验和理论上都得到了广泛的研究。发现在这种结构中的第一外延石墨烯层是缓冲层，即在与其相关联的能带结构中不存在特征狄拉克锥。Riedl等人（Phys.Rev.Lett. 103，246804（2009））最近在他们的实验工作中观察到，SiC-石墨烯样品的氢嵌入可以恢复自立式石墨烯典型的电子性质。采用从头计算方法对石墨烯层脱耦过程中的氢渗透路径和氢原子的能量稳定位置进行了模拟。从所获得的结果可以得出，由于嵌入，石墨烯层移动离开以实现与SiC表面的约3.9 A的距离。电子能带结构，计算这种准独立的石墨烯，表现出Dirac-cone行为，这是在协议与ARPES测量。
2010-03-25 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.other
Edge stability, reconstruction, zero-energy states and magnetism in triangular graphene quantum dots with zigzag edges
我们提出了基于从头计算密度泛函理论的三角形石墨烯量子点锯齿形边缘的稳定性和重构的计算结果。我们表明，虽然重建的五边形-七边形锯齿形边缘结构是更稳定的氢的情况下，理想的锯齿形边缘积极有利于氢钝化。氢钝化后两种结构都存在零能带，但在五边形-七边形锯齿形结构中，零能带的色散较强，导致净磁化强度的损失。
2010-11-01 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci physics.comp-ph
Fracturing graphene by chlorination: a theoretical viewpoint
受最近光氯化实验的启发[B. Li等人，ACS Nano 5，5957（2011）]，我们在理论上研究了氯与石墨烯的相互作用。在以前的理论研究中，氯和碳原子之间的共价结合在吸附到石墨烯基面上时是难以捉摸的。有趣的是，在他们最近的实验中，Li等人根据石墨烯平面顶部的氯的化学键合解释了他们的数据，这与碳杂化和石墨烯纳米结构域形成中从sp2到sp3的变化有关。我们研究的假设，这些域实际上是断裂的石墨烯与氯化的边缘，并比较含氯的石墨烯边缘终端的能量，无论是在锯齿形和扶手椅方向，氯吸附到无限的石墨烯。我们的研究结果表明，边缘氯化是有利于吸附在实验条件下与自由基原子氯和边缘氯化与sp3杂化边缘碳是稳定的，在环境条件下。从头算分析表明，氯的存在能够破坏原始石墨烯层。最后，我们讨论了二氧化硅衬底对石墨烯氯化的可能影响。
2012-01-13 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Gradient-index electron optics in graphene pn junctions
我们研究了由逐渐变化的静电势产生的光滑石墨烯PN结中的电子输运。数值计算的相干电流流动模式可以在很大程度上理解为半经典的轨迹，相当于光束在介质中的折射率逐渐变化。在光滑的交界处，出现了能量禁止区域，这增加了反射，并可以产生明显的干涉图案，例如，回音壁模式。所研究的器件不仅证明了石墨烯PN结中梯度折射率电子光学的可行性，例如Luneburg和Maxwell透镜，而且还可能具有技术应用，例如，作为电子束分离器，聚焦器和波导。半经典的轨迹提供了一个有效的工具，以估计在这样的纳米电子器件的电流路径。
2020-09-11 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Ultra-Long Homochiral Graphene Nanoribbons Grown Within h-BN Stacks for High-Performance Electronics
本研究提出在h-BN堆叠内无转移直接生长超长同手性石墨烯纳米带，实现高性能嵌入式场效应器件，迁移率达4600 cm²/V·s，开关比达10⁶。
2024-03-18 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
