2020年度山东省科学技术奖申报项目公示

2020年度山东省科学技术奖申报项目公示
一、基本情况
1 项目名称：Dirac费米子体系纳米结构的电子性质研究
2 项目完成人
3 项目完成单位
4 申报奖种：山东省自然科学奖
5 完成人曾获山东省科学技术奖励情况：无
二、提名单位意见
陈丽教授及其合作者以第一性原理研究Dirac费米子体系纳米结构的电子性质。

研究不同的二维Dirac材料(六角结构的石墨烯等)的相互作用、应变效应、电子结构和输运性质。

澄清了这些二维Dirac材料的各种相互作用对其体系电子结构和纳米结构边缘电子态的影响规律。

发展了能用于高灵敏的电子器件的材料体系，达到了国内外先进水平，取得了重要的研究成果。

与本项目相关的论文发表在国际重要期刊《Carbon》、《Nano Lett.》、《Phys.Rev.B》、《Appl.Phys.Lett.》和《ChemPhysChem》等。

相关研究工作受到国内外同行专家的广泛关注，并对所做工作给予了高度评价。

论文单篇SCIE引用次数高达94次，其中SCIE他引次数高达73次。

8篇论文共计SCIE 引用次数293次，其中SCIE他引次数共计229次。

对照山东省科学技术奖授奖条件，推荐该项目申报山东省自然科学二等奖。

三、项目简介
Dirac费米子体系如石墨烯和二维拓扑绝缘体的物理性质引起了广泛的关注。

应
变效应、吸附效应和电场效应等引起电子结构变化机理的澄清，将为Dirac费米子体系纳米结构在电子器件等领域中的应用提供科学基础和指导。

由临沂大学和南京大学合作，针对上述问题开展了Dirac费米子体系纳米结构的电子性质研究。

1.二维Dirac材料薄膜拓扑性质的研究
利用密度泛函理论计算，针对其薄膜外延生长在衬底上引起的晶格失配和界面电荷转移的影响，用应变和垂直的电场系统模拟衬底作用，研究原子吸附和电场对Bi、Sn和As膜的拓扑性质的调制。

研究表明无氢原子吸附的双层Bi(111)薄膜是二维拓扑绝缘体(具有鲁棒性)，氢原子边界吸附使费米速度增加1个数量级，狄拉克点可从布里渊区边界移到布里渊区中心，边界态的空间分布是未吸附时的两倍，发现了稳定的大带隙二维Dirac材料，澄清了二维Dirac材料各种相互作用对其体系电子结构和纳米结构边界电子态的影响规律。

2. 石墨烯缺陷导致磁性研究
针对石墨烯自旋简并，无法用于自旋电子器件的问题，我们在石墨烯中设计几种缺陷，其目的是引入磁性。

利用理论计算方法对石墨烯缺陷结构的电子性质进行了系统研究，结果表明含有锯齿形纳米孔缺陷的石墨片是一类特殊的磁性材料，H 等原子在石墨烯和有Stone-Thrower-Wales(STW)缺陷的石墨烯吸附的研究给出了电子结构变化和磁性变化的机制，而且指明了石墨片体系磁性实际应用的可操作性。

充分地理解了吸附石墨烯体系的原子结构、电子结构及其奇异特性，为基于石墨烯的气敏和磁敏传感器的发展提供了物理依据。

3. 石墨烯界面性质研究
石墨烯界面其优异的保护性能成为近年来研究的热点。

我们研究证实石墨烯覆盖在α-Fe2O3薄膜上能够阻止氢损伤不锈钢，在压缩应变和拉伸应变下，其功函数均增大，这表明石墨烯涂层具有更好的耐腐蚀性。

研究应变对功函数的影响有助于从根本上了解腐蚀行为。

我们的研究结果证实，石墨烯涂层是一种有效的手段来抑制腐蚀，即使在变形钢中也同样有效。

石墨烯与金属电极的接触电阻较高，影响器件性能。

我们利用密度泛函理论研究了石墨烯纳米线和有机分子电导与长度的关系。

发现电导随长度的衰减不仅与能隙相关，而且与电子传导路径密切相关，研究揭示了石墨烯与不同金属接触时界面
接触电阻的起源，对实验上如何选择石墨烯电子器件的基底材料或电极材料具有重要价值。

本项目先后得到6项国家自然科学基金的支持，相关的8篇代表性论文发表在国际重要期刊上，其中有《Carbon》、《Phys. Rev. B》和《Appl. Phys. Lett.》等。

论文单篇SCI引用次数高达94次（他引次数73次），8篇论文共计SCI引用次数293次（他引次数229次）。

四、客观评价
本项目以Dirac费米子体系纳米结构为研究对象，对其体系的相互作用、应变效应、电子结构和输运性质等一系列问题展开了研究。

相关研究成果受到了国内外同行的高度关注，许多专家分别就各项成果进行评论引用，并给予了高度评价。

(1) 代表性研究论文1 【Li Chen,* Z. F. Wang, and Feng Liu, Robustness of two-dimensional topological insulator states in bilayer bismuth against strain and electrical field, Physical Review B 87, 235420 (2013)】关于对应力和电场下的二维双层Bi(111)薄膜的拓扑绝缘体性质的研究，被引用60次，他引45次。

Xiangkai Kong 等人2017年在《Chem. Soc. Rev.》上发表研究论文《Elemental two-dimensional nanosheets beyond graphene》，文章中引用到“Chen等人研究了单个双层Bi(111)薄膜(BL-Bi)在应力和垂直的电场影响下的能带结构和拓扑边界态，模拟衬底作用引起的晶格失配和界面电荷转移的影响。

”(Chem. Soc. Rev. 2017, 46, 2127，附件9)。

(2) 代表性研究论文2【Li Chen,* Hao Hu, Yu. Ouyang, Hongzhe Pan, Yuanyuan Sun and Feng Liu, First-principles calculations of atomic adsorption on graphene with STW defects, Carbon 49, 3356 (2011)】关于原子吸附使STW缺陷石墨烯的电子结构变化和磁性变化研究，被引用46次，他引35次。

布莱顿大学的Raymond L. D. Whitby 教授2014年在《ACS Nano》发表论文《Chemical Control of Graphene Architecture: Tailoring Shape and Properties》，该论文大幅引用了我们的研究结果“原子和石墨烯平面间的共价键导致了晶格应变，使得碳原子间的杂化从sp2改变为sp3，未配对电子的产生导致电子密度变化，化学键加强。

晶格应变将通过石墨烯局域结构的变化，导致石墨烯较大区域的结构变化”。

基于我们给出的电子结构和磁性的机理，
Raymond L. D. Whitby教授的研究进一步强化了一个事实，即石墨烯结构的化学调控，可以调制石墨烯的性质，更进一步支持了我们的研究结论(ACS Nano, 2014, 8, 9733, 附件10)。

(3) 代表性研究论文3【Li Chen, Decai Yu, and Feng Liu,* Magnetism in nanopatterned graphite film, Applied Physics Letters 93, 223106 (2008)】关于含有纳米孔的石墨体系的磁性研究，被引用24次，他引14次。

北京大学的Zhirong Liu教授于2011年在《ACS Nano》上发表研究论文《Bandgap Opening in Graphene Antidot Lattices: The Missing Half》，该论文引用了我们的研究成果：“石墨烯上的反点晶格也影响平带和磁性质，而这导致了其在存储介质和自旋电子学方面的应用。

”(ACS Nano, 2011, 5, 4023, 附件11)。

荷兰埃因霍温科技大学的Giesbers教授于2013年《Phys. Rev. Lett》上发表论文《Interface-Induced Room-Temperature Ferromagnetism in Hydrogenated Epitaxial Graphene》，文中“石墨烯的边界或通过氢原子与石墨烯相互作用，将会导致石墨烯呈现磁性”支持了我们的研究结论(Phys. Rev. Lett, 2013, 111, 166101)。

(4) 代表性研究论文4【Li Chen,* Changmin Shi, Xiaolong Li, Zhishan Mi, Chuan Jiang, Lijie Qiao,* Alex A. V olinsky, Passivation of hydrogen damage using graphene coating on -Fe2O3 films, Carbon 130, 19-24 (2018)】关于了α-Fe2O3薄膜表面的石墨烯对氢损伤的保护作用研究，被引用7次，他引3次。

北京科技大学的李晓刚教授于2019年在《Carbon》上发表研究论文《Superior corrosion resistance and self-healable epoxy coating pigmented with silanzied trianiline-intercalated graphene》，该论文引用了我们的研究成果：“石墨烯是一种碳原子的单层结构，具有优异的化学稳定性、高比表面积和良好的阻隔性能，在抗腐蚀领域是一种很有前景的涂层材料。

”(Carbon, 2019, 142, 164-176，附件12)
(5) 代表性研究论文5 【Hongmei Liu, N. Wang, Jianwei Zhao,* Y. Guo, X. Yin, Freddy. Boey and H Zhang, Length-Dependent Conductance of Molecular Wires and Contact Resistance in Metal–Molecule–Metal Junctions. ChemPhysChem 9, 1416 (2008)】关于分子导线的电导随分子长度变化和接触电阻的研究，被引用94次，他引达到73次。

诺贝尔化学奖获得者美国康奈尔大学的Roald Hoffmann教授在2015
年《ACS Nano》上发表研究论文《Exponential Attenuation of Through-Bond Transmission in a Polyene: Theory and Potential Realizations》(ACS Nano, 2015, 9, 11109, 附件13)，文中高度评价了我们的工作，“刘等人发现了不同分子的电导衰减系数与分子结构的类型有关，共轭体系的电导衰减系数通常小于饱和烷烃。

”他们所得到的实验结果与刘洪梅等人采用理论计算方法预言的结果高度吻合。

瑞士伯尔尼大学的资深化学家Thomas Wandlowski教授2012年在《J. Am. Chem. Soc. 》上发表研究论文《Correlations between Molecular Structure and Single-Junction Conductance: A Case Study with Oligo(phenylene-ethynylene)-Type Wires》，论文中多次引用本项目代表性论文5的成果。

他们报道了低聚亚苯基乙炔撑类分子的电导衰减因子，并与刘洪梅等人的理论计算预言的结果进行了对比，发现趋势非常一致。

Thomas Wandlowski教授还评论到“大量的实验测量和理论计算结果都表明以硫醇作为连接基团的共轭分子中的电子传导机制是共振隧穿类型”(J. Am. Chem. Soc. 2012, 134, 5262, 附件14)。

(6) 代表性研究论文6【Dongchao Wang, Li Chen,* Xiaoli Wang, Guangliang Cui and Pinhua Zhang, The effect of substrate and external strain on electronic structures of stanene film. Phys. Chem. Chem. Phys. 17, 26979-26987 (2015)】关于衬底和应力对锡烯电子结构的影响研究，被引用30次，他引29次。

Mathew J. Cherukara 等人发表研究论文《Ab Initio-Based Bond Order Potential to Investigate Low Thermal Conductivity of Stanene Nanostructures》(J. Phys. Chem. Lett. 2016, 7, 3752)，该研究论文中评论了我们的工作：“低褶皱结构的锡是一种拓扑绝缘体，电子可以沿边界自由移动。

理论计算的结果预测了低褶皱结构的锡及其衍生物是具有较大带隙的二维量子自旋霍尔绝缘体。

”
(7) 代表性研究论文7【Dongchao Wang, Li Chen,* Changmin Shi, Xiaoli Wang, Guangliang Cui, Pinhua Zhang, Yeqing Chen, Quantum spin Hall insulator in halogenated arsenene films with sizable energy gaps. Scientific Reports 6, 2848 (2016)】关于卤族元素吸附的砷薄膜的电子性质和拓扑性质的研究，被引用19次，他引19次。

新加坡南洋理工大学Kun Zhou教授在《Progress in Materials Science》上发表综述论文《Recent progress on graphene-analogous 2D nanomaterials: properties, modeling
and applications》，文中评价了我们的工作，“Wang等人报道了用卤素原子对砷薄膜进行功能化，将其转化为具有较大带隙的量子自旋霍尔绝缘体。

”(Progress in Materials Science , 2018, 100, 99-169, 附件15)。

(8) 代表性研究论文8【Li Chen,* Guangliang Cui, Pinhua Zhang, Xiaoli Wang, Hongmei Liu, and Dongchao Wang. Edge state modulation of bilayer Bi nanoribbons by atom adsorption. Phys. Chem. Chem. Phys. 16, 17206 (2014)】关于吸附原子对双层Bi 纳米带的边界态的调制研究，被引用14次，他引11次。

美国德州大学的Qian Niu 教授在2016年《Reports on Progress in Physics》上发表研究论文《Topological phases in two-dimensional materials: a review》，文中引用了我们的工作，“双层Bi薄膜包含较重的第五族元素时，自旋轨道耦合效应很强，能够引起价带和导带的能带反转，从而形成拓扑绝缘体” (Rep. Prog. Phys. 2016, 79, 066501, 附件16)。

六、主要完成人情况
（1）姓名：陈丽，排序：1/4，职称：教授，工作单位：临沂大学，完成单位：临沂大学。

项目第一完成人，负责总体设计，提出了本项目的主要学术思想、技术路线和方案,并指导课题组实施了本项目的全部工作。

发现Bi薄膜在应力和电场的影响下是稳定的二维拓扑绝缘体，支撑材料为附件1；阐明了吸附使缺陷石墨烯的电子结构变化的机制，支撑材料为附件2；发现含有锯齿型纳米孔的石墨烯的基态为铁磁态，支撑材料为附件3；发现石墨烯涂层能阻止氢原子进入不锈钢，从而达到防腐的作用，支撑材料为附件4；揭示了衬底和应力对锡烯、砷薄膜和铋薄膜拓扑性质的调控机制及发现了实现量子自旋霍尔效应的理想材料，支撑材料为附件6、7和8。

是代表性论文1、2、3、4和8的第一作者、论文1、2、4、6、7和8的通讯作者。

（2）姓名：刘洪梅，排序：2/4，职称：教授，工作单位：临沂大学，完成单位：南京大学。

项目第二完成人，利用第一性原理研究了石墨烯的电子输运性质，对论文5和8做出了突出贡献。

发现系列分子导线的电导随长度的增加呈指数衰减，电子传导遵循隧穿机理，衰减因子与分子能隙存在定量关系，发现Cu-石墨烯体系的界面接触电阻约为Ni-石墨烯体系的10倍，揭示了石墨烯与不同金属接触时界面接触电阻的起源。

发现锯齿的双层Bi纳米带可作为制备纳米电子器件的优选对象。

是代表性论文5第一作者和代表性论文8的合作作者。

（3）姓名：王东超，排序：3/4，职称：讲师，工作单位：临沂大学，完成单位：临沂大学。

项目第三完成人，利用第一性原理研究了Dirac费密子体系的电子结构，对论文6、7和8做出了突出贡献。

发现应力对锡烯薄膜拓扑性质有调制作用，其研究有助于更深入地理解衬底对锡烯薄膜拓扑性质的影响，发现吸附原子能够调制砷膜表面态和双层Bi纳米带边界态，研究结果表明卤化砷膜和锯齿的双层Bi纳米带可作为制备纳米电子器件的优选对象，是代表性论文6、7的第一作者和论文8的合
作作者。

（4）姓名：赵健伟，排序：4/4，职称：教授，工作单位：南京大学，完成单位：南京大学。

赵健伟作为项目的参与人，利用第一性原理研究了石墨烯纳米电子器件的输运性质，对创新点5做了指导工作。

其中对创新点5的贡献是发现系列分子导线的电导随长度的增加呈指数衰减，电子传递遵循隧穿机理。

饱和烷烃的衰减因子最大，共轭全反式聚乙炔的最小，而且衰减因子与分子能隙存在定量关系，支撑材料为附件5。

是代表性论文5的通讯作者。

七、完成人合作关系说明
自2006年1月，临沂大学陈丽、刘洪梅、王东超与南京大学赵健伟，组成研究团队，针对Dirac费米子体系纳米结构的电子性质研究的项目开展合作工作。

刘洪梅于2005年9月至2010年6月在南京大学化学化工学院赵健伟教授课题组攻读博士学位，2010年7月回到临沂大学工作，继续参与本项目的研究。

本团队先后与国内外专家进行合作研究，取得了一批高水平的研究成果。

1. 2008年1月-2018年1月，完成人陈丽等人共同开展石墨烯的第一性原理计算研究，研究成果发表在《Carbon》上。

2. 2008年1月-2008年8月，2012年8月-2014年4月，研究团队邀请美国犹他大学刘锋教授参与低维Dirac材料电子性质的研究项目，研究成果分别发表在《Phys. Rev. B》和《Appl. Phys. Lett.》上。

3. 2008年1月-2010年6月，完成人刘洪梅、赵健伟等人对碳基分子导线的电子输运性质开展合作研究，发现分子电导随长度的指数衰减因子与其能隙有关，研究成果发表在《ChemPhysChem》上。

4. 2011年9月-2018年1月，完成人陈丽、刘洪梅、王东超等人对二维拓扑绝缘体Bi薄膜开展合作研究，发现吸附原子能够调制双层Bi纳米带边界态，研究成果发表在《Phys. Chem. Chem. Phys.》和《Scientific Reports》上。