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博士生高志斌在 Nano Letters 杂志发表论文
发表时间:2017-01-15 阅读次数:549次

在任捷和李念北老师的指导下,博士生高志斌在 Nano Letters 杂志上发表论文,题为“Novel Two-Dimensional Silicon Dioxide with in-Plane Negative Poisson’s Ratio”。该工作的通讯作者是中组部青年千人任捷教授。

  

该工作预测出3种具有奇异力学和电学性质的新型二维氧化硅材料。它们都拥有平面负泊松比以及目前所报道二维材料的最大电子带隙。

  

氧化硅是玻璃、砂石以及大多数矿物的主要成分,它也是组成地壳和地幔的重要组成部分。同时它还是手机、手表、电脑等通讯设备的数字电路中石英晶体振荡器的核心单元。由于氧化硅是石头的主要成分,因此早在石器时代,人类社会就已经离不开这种古老的材料了。从17世纪开始,玻璃就被普遍用在窗户上;从19世纪大规模工业生产以后,玻璃纤维电缆就构成了我们信息时代的支柱材料,这些都是传统氧化硅材料的用武之地。此外,传统的块体氧化硅材料是一个优良的绝缘和介电材料。那么二维氧化硅材料呢?低维的氧化硅是否存在?如果存在,是否会有新颖的性质出现?这是该工作的出发点。

  

该工作基于第一性原理的进化算法以及自主研发的晶体结构软件对二维单层氧化硅晶体材料进行力学性质和电学性质预测。

  

在进行高通量计算过程中,他们发现了3个稳定的从未报道过的二维氧化硅材料。这3个新型的氧化硅材料比传统的六方氮化硼还要坚硬。此外,这3个氧化硅材料拥有目前为止最大的点子带隙 7.6 eV,之前报道电子带隙最大的就是 4.7 eV的六方氮化硼材料。由于光学吸收率和材料的电子带隙和厚度密切相关,因此这3个新型的二维氧化硅材料是目前为止世界上最透明的材料。

  

令该团队惊讶的是:这3个二维氧化硅材料都具有很大的平面负泊松比。最大的一个负泊松比是五角石墨烯的两倍,是硼烯的三倍。

  

当沿着材料的一个方向进行拉伸,通常情况下,它会沿着另外的两个方向进行收缩,这个现象叫做正泊松比。泊松比反映了一个材料对应力的响应程度,是材料力学性质的一个重要指标。然而,有趣的是,某些奇异的材料会沿着另外的两个方向扩涨,这种现象叫做负泊松比。负泊松比材料在减震材料、包装材料、安全带、防弹衣以及国防领域都有重要意义。

  

在三维空间中,晶体结构遵循结构化学定律—鲍林定律。然而,在低维如二维空间中,这些定律将不再适用。低维系统中独有的原子排列方式将会给材料带来新颖的性质,这种性质是三维系统中很难看到的。该工作中的二维氧化硅的平面负泊松比来源于特殊的晶格结构对称性与硅氧四面体在低维系统下的耦合造成的,也就是说,二维氧化硅材料的平面负泊松比是由低维效应造成的。

  

这些拥有平面负泊松比和最大电子带隙的新型的二维氧化硅材料将在纳米力学和纳米电子学中具有巨大的潜在应用价值。

  

文章链接:  http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.nanolett.6b03921