二維硼碳基納米結(jié)構(gòu)上的吸附及其性質(zhì)

林現(xiàn)慶， 陳 曦， 倪 軍

（清華大學(xué)物理系，量子物質(zhì)科學(xué)協(xié)同創(chuàng)新中心，低維量子物理國家重點(diǎn)實驗室，北京 100084）

二維硼碳基納米結(jié)構(gòu)上的吸附及其性質(zhì)

林現(xiàn)慶， 陳 曦， 倪 軍*

（清華大學(xué)物理系，量子物質(zhì)科學(xué)協(xié)同創(chuàng)新中心，低維量子物理國家重點(diǎn)實驗室，北京 100084）

綜述金屬原子與非金屬原子和分子在石墨烯、BC3平面等二維硼碳基納米結(jié)構(gòu)上的吸附所表現(xiàn)出的各種物理性質(zhì)及可能的應(yīng)用.純凈的石墨烯為零帶隙的半金屬、無磁且自旋軌道耦合效應(yīng)非常弱，BC3平面為間接帶隙半導(dǎo)體，但金屬原子與非金屬原子和分子的吸附可能使石墨烯體系在Dirac點(diǎn)處打開帶隙、具有強(qiáng)自旋軌道耦合效應(yīng)，可能使石墨烯體系與二維BC3體系具有磁有序、超導(dǎo)電性及應(yīng)用在氫存儲上.另外石墨烯表現(xiàn)出非常好的分子探測性能.

硼碳基納米結(jié)構(gòu)；金屬原子吸附；非金屬原子和分子吸附；吸附穩(wěn)定性；吸附體系電子結(jié)構(gòu)

0 引言

石墨烯等單層六角結(jié)構(gòu)于2004年被發(fā)現(xiàn)之后，人們對其豐富的物理性質(zhì)及可能的應(yīng)用做了大量的研究［1－5］.石墨烯中C原子的pz軌道形成六角結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，共同構(gòu)成一個大π鍵.這種六角結(jié)構(gòu)的pz軌道網(wǎng)絡(luò)所具有的對稱性使石墨烯為具有零帶隙的半金屬，在費(fèi)米能級（EF）附近能帶具有線性色散關(guān)系，因此石墨烯中能量在EF附近的準(zhǔn)粒子的運(yùn)動呈現(xiàn)類Dirac費(fèi)米子的行為［3］.石墨烯從而具有非常高的遷移率，在電子學(xué)器件中具有重要應(yīng)用［2］.當(dāng)向石墨烯摻雜硼原子時，可得到具有六角對稱性的單層BC3（2D BC3）并于2005年在NbB2（0001）表面上制備出來［6］.在2D BC3中，每一個B原子和三個C的六角環(huán)相連，一個BC3原胞內(nèi)含有兩個B原子和六個C原子.2D BC3為間接帶隙半導(dǎo)體，LDA計算的帶隙為0.5 eV［7］.2D BC3的第一導(dǎo)帶和第二導(dǎo)帶分別為π和π*能帶，由硼原子的pz軌道貢獻(xiàn)［8］.硼原子的pz軌道之間的相互作用由碳原子傳遞.除了純凈的石墨烯與2D BC3所固有的電子性質(zhì)外，為了使石墨烯體系在Dirac點(diǎn)處打開帶隙、具有強(qiáng)自旋軌道耦合（SOC）效應(yīng)，使石墨烯體系與2D BC3體系具有磁性、超導(dǎo)電性及應(yīng)用在氫存儲上，人們對金屬原子與非金屬原子或分子在石墨烯及2D BC3上的吸附做了大量的研究.

純凈的石墨烯為零帶隙的半金屬，為了使石墨烯器件具有高的開關(guān)比，需要使石墨烯體系打開帶隙，非金屬原子在石墨烯上的吸附體系則可能表現(xiàn)出半導(dǎo)體性［9－12］.石墨烯與2D BC3不具有磁性，而吸附在石墨烯上的單個金屬或非金屬原子可能具有局域磁矩［8，13］，同時石墨烯與2D BC3的堿金屬吸附體系可能出現(xiàn)巡游鐵磁序或自旋密度波等磁有序［8，14］.石墨烯在EF處的態(tài)密度為零，2D BC3為半導(dǎo)體，通過堿金屬等原子的吸附則可使費(fèi)米面升高，吸附體系可能具有較高的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度或手性超導(dǎo)［8，15－16］.石墨烯具有量子自旋霍爾效應(yīng)（QSH）［17］，但石墨烯的SOC效應(yīng)非常弱，實驗上無法觀測到石墨烯的QSH效應(yīng)［18］，重的金屬原子的吸附則可能使體系打開較大的拓?fù)浞瞧接沟膸稄亩憩F(xiàn)QSH效應(yīng)或量子反常霍爾效應(yīng)（QAH）［19－23］.氫分子在純凈的石墨烯與2D BC3上的吸附較弱，但堿金屬或堿土金屬原子等的吸附則使體系具有較好的儲氫性能［8，24－26］.為了實現(xiàn)使石墨烯吸附體系打開帶隙、表現(xiàn)QSH或QAH效應(yīng)，使石墨烯與2D BC3具有磁有序、超導(dǎo)電性，一般需要吸附體系為有序結(jié)構(gòu)，因此人們對吸附體系可能的有序結(jié)構(gòu)及其穩(wěn)定性做了研究［12－13，27－28］.一般通過計算吸附的自由能，使用凸圖方法或蒙特卡羅模擬退火方法來尋找穩(wěn)定的有序吸附結(jié)構(gòu)［29－32］.值得注意的是硼原子的存在使得2D BC3吸附金屬的能力大大提高［8］.實驗發(fā)現(xiàn)石墨烯表現(xiàn)出非常好的分子探測性能［33］，理論研究給出了小分子在石墨烯上吸附摻雜電子或空穴的機(jī)理以及在一定的溫度與壓強(qiáng)條件下小分子在純凈石墨烯上的吸附量［34－36］.

我們對關(guān)于金屬原子與非金屬原子和分子在石墨烯、2D BC3二維硼碳基納米結(jié)構(gòu)上的吸附所表現(xiàn)出的各種物理性質(zhì)及可能的應(yīng)用的計算研究做了綜述，第1節(jié)為計算吸附體系的結(jié)構(gòu)、穩(wěn)定性及電子性質(zhì)的方法，第2節(jié)給出了金屬原子吸附體系的電子、磁性質(zhì)及超導(dǎo)性、拓?fù)浣^緣體特性及穩(wěn)定性，第3節(jié)描述非金屬原子、小分子、大分子等在石墨烯與2D BC3上的吸附.

1 計算方法

對金屬原子與非金屬原子和分子在硼碳基二維六角結(jié)構(gòu)上的吸附體系，一般首先使用第一性原理方法計算吸附體系的構(gòu)型、電子與磁性質(zhì).對金屬原子與非金屬原子的吸附，一般使用LDA或GGA交換關(guān)聯(lián)泛函，但對分子的吸附，則可能需要使用非局域的交換關(guān)聯(lián)泛函來描述范德瓦爾斯相互作用［36］.

某些金屬原子與小分子在襯底上的吸附會發(fā)生襯底與吸附原子或分子之間的電荷轉(zhuǎn)移，可由吸附體系的態(tài)密度或電荷密度分布來計算電荷轉(zhuǎn)移量［37－38］.對石墨烯，堿金屬原子的吸附對襯底電子狀態(tài)幾乎沒有影響，吸附體系的態(tài)密度相對純凈的襯底除了費(fèi)米能級升高之外幾乎沒有變化.對石墨烯、硅烯，吸附的堿金屬原子向襯底轉(zhuǎn)移電子，電子填充Dirac點(diǎn)之上的狀態(tài)，費(fèi)米能級升高.電荷轉(zhuǎn)移量可由吸附體系的DOS在Dirac點(diǎn)到EF能量區(qū)間內(nèi)積分得到［37］.由電荷密度分布計算電荷轉(zhuǎn)移量的一種方法為Bader分析［38］.由Bader分析可得到吸附原子的帶電量，該帶電量即所轉(zhuǎn)移電荷量的數(shù)值.對吸附在襯底上的原子，Bader分析首先計算該原子周圍電荷密度分布的極小值，即電荷密度分布梯度為零的點(diǎn)，這些點(diǎn)構(gòu)成一些面，這些面所包圍的包含吸附原子的區(qū)域定義為Bader區(qū)域.對Bader區(qū)域的電荷密度分布積分，吸附原子的價電子數(shù)（對堿金屬原子為1）減去積分值即該吸附原子的帶電量.另一種由電荷密度分布計算電荷轉(zhuǎn)移量的方法是利用電荷密度差Δρ，其定義為

其中的電荷密度分布均在相同的超原胞中計算［37］.ρM－substrate為吸附體系的電荷密度，為不包含襯底的吸附原子的電荷密度，這些吸附原子置于與弛豫后的吸附結(jié)構(gòu)相同的位置.為不包含吸附原子的襯底的電荷密度，襯底中原子置于與弛豫后的吸附結(jié)構(gòu)相同的位置.為計算電荷轉(zhuǎn)移量需要定義屬于吸附原子或襯底的區(qū)域.一種定義方法是在由吸附原子向襯底電子轉(zhuǎn)移之電荷聚集到電荷耗減的轉(zhuǎn)變點(diǎn)處，即當(dāng)z由大變小時，Δρ由負(fù)值變?yōu)檎档牡谝粋€轉(zhuǎn)變點(diǎn)處.轉(zhuǎn)變點(diǎn)左側(cè)的區(qū)域?qū)儆谝r底，對該區(qū)域的Δρ做積分得到電荷轉(zhuǎn)移量的數(shù)值.由不同方法計算出來的電荷轉(zhuǎn)移量可能存在比較大的差異，這主要是由于電荷轉(zhuǎn)移量并不是一個量子力學(xué)可觀測量.由DOS和Bader分析得到的電荷轉(zhuǎn)移量的差較小，可用于估計吸附體系襯底中的載流子濃度.而由電荷密度差Δρ所得到的電荷轉(zhuǎn)移量可用于構(gòu)建吸附體系的靜電模型［37］.

對小分子的吸附，可使用統(tǒng)計模型來估計在不同的溫度與壓強(qiáng)條件下小分子在襯底上的吸附量.Lin等給出了計算極性小分子在石墨烯上的吸附量的一種基于統(tǒng)計力學(xué)的近似方法［36］.首先計算分子在石墨烯表面的勢能曲線.分子M在石墨烯上的的勢能定義為

在計算Ep時，取分子在最穩(wěn)吸附位時的指向，但考慮Ep對分子位置的依賴.另外將分子在平行于石墨烯平面（xy）內(nèi)的運(yùn)動近似為自由的，所以Ep僅為z坐標(biāo)的函數(shù)，但Ep（z）是對xy平面做平均得到的.然后使用Morse勢［39］

或Mattera勢［40］來擬合Ep

這樣可求解一個分子在擬合勢能Ep（z）中運(yùn)動的薛定諤方程，得到分子在該勢場內(nèi)運(yùn)動的能級εi，認(rèn)為處于能級εi為負(fù)值的狀態(tài)的分子是吸附在石墨烯表面上的.石墨烯處于理想氣體環(huán)境中，且吸附在石墨烯表面的分子亦被認(rèn)為是理想的.計算時可以忽略吸附對分子轉(zhuǎn)動和振動的影響［41－42］.由吸附能級εi可得質(zhì)量為m的分子在勢場Ep（z）中運(yùn)動的配分函數(shù)

其中A為石墨烯的面積，k為玻爾茲曼常數(shù)，h為普朗克常數(shù).吸附在面積為A的純凈的石墨烯表面的分子數(shù)為Neμ／kT，其中μ為分壓為P溫度為T的氣體環(huán)境的化學(xué)勢

則在單位面積純凈石墨烯上吸附的分子數(shù)N／A為

對氫、氧等非金屬原子與堿金屬等金屬原子在石墨烯上的高覆蓋率吸附，可使用凸圖方法或蒙特卡羅模擬退火方法來尋找穩(wěn)定的有序吸附結(jié)構(gòu).當(dāng)吸附原子濃度很高的時候，仍可以用第一性原理計算來研究給定吸附濃度下的有序吸附構(gòu)型.為了研究某個給定濃度下的吸附構(gòu)型，可以取一個足夠大的超元胞，在其中放入一定數(shù)量的吸附原子，使得吸附原子的濃度達(dá)到預(yù)想的數(shù)值.然后，改變吸附原子的位置，計算所有不等價的吸附構(gòu)型的能量，找出能量最低的吸附構(gòu)型.但是上述方法有著一定的局限性.首先，吸附原子的濃度比較高的時候，吸附原子之間的相互作用無法忽略.由于吸附原子之間的相互作用，對于給定的吸附濃度，即使找出了最穩(wěn)定的吸附構(gòu)型，該吸附構(gòu)型也不一定會穩(wěn)定存在.因為該構(gòu)型可能是熱力學(xué)不穩(wěn)定的，即該吸附構(gòu)型會發(fā)生相分離.在發(fā)生相分離的體系中，吸附原子不再形成周期性的吸附結(jié)構(gòu)，而是變成兩個有序吸附結(jié)構(gòu)的混合狀態(tài).而第一性原理很難計算這種相分離狀態(tài).其次，如前所述，我們計算高濃度吸附時，需要事先選取一個超元胞.利用這個超元胞只能研究有限數(shù)量的吸附構(gòu)型，這些吸附構(gòu)型的空間周期都小于或者等于超元胞的周期.而這些吸附構(gòu)型有可能不包含能量最低的那一個.為了解決這兩個問題，需要能量凸圖和蒙特卡羅退火算法.

首先介紹能量凸圖方法.考慮石墨烯上金屬原子的吸附，假設(shè)已知某個吸附構(gòu)型C2My，計算得到該體系的總能Em（y），再計算沒有吸附原子時體系的總能E0.以這兩個能量為參考點(diǎn)，我們定義吸附構(gòu)型C2Mx的生成焓

其中E（x）為附構(gòu)型C2Mx的總能.為了判斷該吸附構(gòu)型C2Mx的熱力學(xué)穩(wěn)定性（是否會發(fā)生相分離），需要比較不同吸附濃度x下的ΔH（x）.為此，可以畫出ΔH（x）和x的關(guān)系圖，該圖即為能量凸圖［29－30］.一般來說，如果吸附率為x的構(gòu)型是熱力學(xué)穩(wěn)定的（不發(fā)生相分離），則在ΔH（x）和x的關(guān)系圖中，對于任意選取的兩個吸附原子濃度x1和x2，ΔH（x）應(yīng)該在ΔH（x1）和ΔHm（x2）連線的外側(cè).當(dāng)ΔH（x）在ΔH（x1）和ΔH（x2）連線的內(nèi)側(cè)時，吸附率為x的構(gòu)型就會相分離成濃度為x1和濃度為x2兩種構(gòu)型的混合.

這里需要強(qiáng)調(diào)：對于給定的吸附原子濃度x，其對應(yīng)的吸附構(gòu)型有很多種，計算得到的生成焓ΔH（x）不僅是吸附原子濃度的函數(shù)，還依賴于具體的吸附構(gòu)型.在畫能量凸圖的時候，應(yīng)當(dāng)選取給定濃度下總能最低那個構(gòu)型的ΔH（x）.這就需要窮舉出給定濃度下所有的吸附構(gòu)型，用第一性原理計算各個構(gòu)型總能.受計算量的限制，很難窮舉出所有的吸附構(gòu)型.因此，需要一種更為有效的方式尋找吸附構(gòu)型，例如蒙特卡羅退火算法.

如果把吸附體系中的空位當(dāng)做另外一種原子，那么吸附問題就可以用研究格子氣的方法進(jìn)行研究.統(tǒng)計力學(xué)告訴我們，格子氣模型等價于伊辛模型，因此可以把吸附體系的生成焓ΔH用伊辛模型做集團(tuán)展開［31－32，43－45］：

這里σx代表一種特定的吸附構(gòu)型，其對應(yīng)的吸附原子濃度為x．ΔH（σx）為上一節(jié)中定義的生成焓．Si（σx）為σx構(gòu)型下i格點(diǎn)的等效自旋，Si（σx）＝1代表該格點(diǎn)有吸附原子，Si（σx）＝－1代表該格點(diǎn)沒有吸附原子.上式中的第二、第三和第四項分別代表等效自旋之間的單體、兩體和三體相互作用.實際計算中，根據(jù)需要還可以包含四體及四體以上相互作用.對于大多數(shù)情況，三體相互作用就已經(jīng)足夠精確.

利用第一性原理方法，計算多個構(gòu)型σx的生成焓，然后用上式給出的伊辛模型哈密頓量擬合這些構(gòu)型的生成焓，擬合得到Ji、Jij和Jijk．這里σx并不需要選取濃度x下最穩(wěn)定的構(gòu)型.確定這些參數(shù)之后，集團(tuán)展開哈密頓量就可以描述我們所關(guān)心的吸附體系了.集團(tuán)展開哈密頓量的基態(tài)就是我們所需要尋找的最穩(wěn)定吸附構(gòu)型.

雖然集團(tuán)展開哈密頓量已經(jīng)極大地簡化了尋找吸附構(gòu)型的過程，但是該哈密頓量的基態(tài)仍無法解析求解.可以采用退火過程求解其基態(tài).具體過程如下：

1）對于給定的集團(tuán)展開哈密頓量，首先假定系統(tǒng)處在一個給定狀態(tài)σi，每一個格點(diǎn)都有特定的狀態(tài)（被吸附原子占據(jù)或者空位，即Si（σi）＝1或者Si（σi）＝－1）；

2）任選一個個點(diǎn)，將其狀態(tài)反轉(zhuǎn)，得到新的系統(tǒng)構(gòu)型σj（如從Si（σi）＝1變成Si（σj）＝－1）；

3）計算能量的變化，如果能量下降，則記錄格點(diǎn)反轉(zhuǎn)后的系統(tǒng)狀態(tài)σj；

5）生成一個位于區(qū)間［0，1］內(nèi)，且均勻分布的隨機(jī)數(shù)，比較隨機(jī)數(shù)和躍遷概率的大小，如果躍遷概率大于此隨機(jī)數(shù)，則記錄σj；否則不記錄；

6）重復(fù)步驟2）至5），直到存儲的構(gòu)型數(shù)量達(dá)到一個給定的數(shù)值；

7）降低系統(tǒng)溫度，以降低溫度前的平衡態(tài)作為新的初始構(gòu)型重復(fù)步驟1）至6），直到溫度趨向于零.通過上面的步驟，就可以得到集團(tuán)展開哈密頓量的基態(tài)，以及相應(yīng)的最穩(wěn)定吸附構(gòu)型.

2 金屬原子吸附體系

當(dāng)金屬原子吸附在石墨烯表面時，體系的電子性質(zhì)相對于純凈的石墨烯會發(fā)生變化.Chan的計算表明，堿金屬、堿土金屬原子和IIIA族原子在石墨烯上的吸附呈現(xiàn)離子性，石墨烯的電子態(tài)變化特別小但存在較大的由吸附原子向石墨烯的電荷轉(zhuǎn)移［13］.吸附原子向襯底轉(zhuǎn)移電子，電子填充Dirac點(diǎn)之上的狀態(tài)，費(fèi)米能級升高.由于存在吸附原子向襯底的電荷轉(zhuǎn)移，吸附體系具有垂直于襯底表面的電偶極矩且吸附體系的功函數(shù)相對于純凈的石墨烯亦發(fā)生較大的變化.Jin研究了堿金屬吸附體系的電荷轉(zhuǎn)移量和功函數(shù)隨著吸附濃度的變化關(guān)系，發(fā)現(xiàn)隨著濃度的升高會出現(xiàn)下降后再上升的趨勢，這是由于吸附的金屬由單個原子變?yōu)榱硕S金屬單層［46］.在高覆蓋率下，吸附的堿金屬或堿土金屬原子的s電子變?yōu)榉蔷钟虻模降脑訉拥膕能帶電子態(tài)與石墨烯的電子態(tài)產(chǎn)生雜化，如KC8，LiC6，CaC6體系中費(fèi)米面附近存在包含較大吸附原子s軌道貢獻(xiàn)的能帶［14］.過渡金屬、貴金屬與IVA原子在石墨烯上的吸附呈現(xiàn)共價性，吸附原子與石墨烯的電子態(tài)存在強(qiáng)的雜化［13］.Cao等研究了過渡金屬原子Fe，Co，Ni和Cu在石墨烯上的吸附，發(fā)現(xiàn)除Cu之外，其他吸附原子均與石墨烯化學(xué)成鍵［47］.對Fe與Co的吸附，體系呈現(xiàn)半金屬性；Ni吸附的石墨烯則為半導(dǎo)體.當(dāng)堿金屬與堿土金屬原子吸附在2D BC3上時，存在吸附原子對襯底的電子摻雜或?qū)σr底電子狀態(tài)的影響［8，26，48］.Li 與Ca原子吸附在2D BC3的六角環(huán)的中心，2D BC3存在兩種六角環(huán)，一種包含B原子（H1），一種不包含B原子（H2）［26，48］.對Li吸附的2D BC3，吸附原子向襯底轉(zhuǎn)移電子，轉(zhuǎn)移的電子填充在了2D BC3的導(dǎo)帶上，且對費(fèi)米面附近2D BC3的電子態(tài)影響較小，如圖1所示，Li原子對電子態(tài)的貢獻(xiàn)主要集中在費(fèi)米面以上3.0 eV附近［48］.在高的覆蓋率下，如圖2所示的B2C6Li體系，態(tài)密度圖表明Li的貢獻(xiàn)在高于費(fèi)米面0.3 eV能量處，且費(fèi)米能級正好位于π能帶的范霍夫奇點(diǎn)處［8］.當(dāng)Ca原子吸附在2D BC3的六角環(huán)的中心時，吸附體系在費(fèi)米能附近的電子態(tài)相對于純凈的2D BC3受到了影響，如圖3所示［48］.

金屬原子在硼碳基六角結(jié)構(gòu)上的吸附體系呈現(xiàn)豐富的磁性質(zhì).當(dāng)Na，K原子吸附在石墨烯表面上時，分別具有0.27和0.17 μB的局域磁矩，這可能是由于Na，K向石墨烯轉(zhuǎn)移了部分價電子，剩余的電子呈現(xiàn)自旋極化［13］.但這些堿金屬原子吸附之磁性可能依賴于吸附構(gòu)型，如在Chan等的計算中采用了4×4的石墨烯超原胞，每個超原胞中吸附一個原子［13］；亦可能受石墨烯電子或空穴摻雜，即費(fèi)米能變化的影響.當(dāng)Ca原子吸附在石墨烯表面上時，向石墨烯轉(zhuǎn)移了一個電子，另外一個4s價電子自旋極化，具有約一個玻爾磁子的局域磁矩［13］.吸附在石墨烯上的3d過渡金屬原子，除Sc，Ni外均具有局域磁矩［49］.貴金屬Cu，Au在石墨烯上吸附較弱；吸附在石墨烯上的Cu，Au原子具有0.5 μB左右的磁矩［47，50］.Pd，Pt在石墨烯上吸附無磁［13，50］.吸附在石墨烯上的Fe，Co，Ni，Au等過渡金屬原子可能形成二、三、四聚體，這些體系具有復(fù)雜的吸附結(jié)構(gòu)，亦可能具有局域磁矩［47，51－52］.應(yīng)變可調(diào)節(jié)吸附在石墨烯上的過渡金屬原子的磁矩.如拉伸會使吸附的Mn原子的磁矩大小發(fā)生一個突變，同時伴隨吸附結(jié)構(gòu)的突變［53］.Uchoa等發(fā)現(xiàn)對在石墨烯上高覆蓋率的4d過渡金屬吸附，如PdC2體系，由于過渡金屬原子局域的d軌道與石墨烯的pz軌道的雜化導(dǎo)致的磁不穩(wěn)定性，體系呈現(xiàn)巡游磁性，且在LDA＋U計算中當(dāng)U約大于6 eV時體系具有大的磁矩［14］.基于Hubbard模型的理論研究表明，當(dāng)向石墨烯的π*能帶摻入電子使π*能帶1／4能帶填充時，體系可呈現(xiàn)由費(fèi)米面嵌套所產(chǎn)生的自旋密度波狀態(tài)［54－58］，但對堿金屬與堿土原子在石墨烯表面的計算表明吸附的原子層會對石墨烯的電子態(tài)產(chǎn)生影響［15］，因此在石墨烯中實現(xiàn)上述Hubbard模型是很困難的.而當(dāng)2D BC3的每個元胞吸附一個堿金屬原子時，堿金屬的s電子會填充到第一導(dǎo)帶，費(fèi)米面被調(diào)制到第一導(dǎo)帶的范霍夫奇點(diǎn)［8］.摻雜后體系的費(fèi)米面出現(xiàn)嵌套，使得體系有可能出現(xiàn)鐵磁、自旋密度波和電荷密度波等有序相，如圖4所示.計算表明，通過施加應(yīng)變的方式可以調(diào)節(jié)費(fèi)米面的形狀，從而影響不同有序相之間的競爭，如圖5所示.

人們對金屬原子吸附的石墨烯體系的超導(dǎo)電性亦做了研究.石墨插層C6Ca體結(jié)構(gòu)具有超導(dǎo)電性，超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度達(dá)到11.5 K，是BCS機(jī)制的傳統(tǒng)超導(dǎo)體［59－60］.對C6Ca單層，即Ca在3×3石墨烯上吸附的有序結(jié)構(gòu)，Profeta等的計算表明該體系由聲子導(dǎo)致的超導(dǎo)電性的轉(zhuǎn)變溫度（Tc）僅為1.4 K；但他們發(fā)現(xiàn)LiC6單層的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度可以達(dá)到8.1 K，雖然層狀LiC6體結(jié)構(gòu)的Tc僅為0.9 K［15］.單層LiC6的吸附原子層與石墨烯層的層間能帶穿過費(fèi)米面，增強(qiáng)了電聲耦合從而具有較高的Tc.另外理論研究表明當(dāng)石墨烯的π*能帶由于電子摻雜填充到范霍夫奇點(diǎn)處時，體系可能出現(xiàn)由電子－電子排斥相互作用所導(dǎo)致的d波手性超導(dǎo)［16］.人們提出在石墨烯表面上吸附堿金屬或堿土金屬原子來向石墨烯中摻入所需的電子量，但高覆蓋率的堿金屬或堿土金屬原子吸附會在費(fèi)米面引入包含大量雜質(zhì)貢獻(xiàn)的能帶，對石墨烯的π*能帶的電子態(tài)造成很大的影響［15］，而為實現(xiàn)手性超導(dǎo)需要保持石墨烯的π*能帶不變.因此為實現(xiàn)在2D六角結(jié)構(gòu)中的手性超導(dǎo)電性需要合適的襯底，堿金屬吸附的2D BC3是一個可能的體系［8］.

磁性過渡金屬原子吸附的石墨烯可能呈現(xiàn)量子反常霍爾效應(yīng).Fe原子吸附的石墨烯在Dirac點(diǎn)處會打開帶隙，這是由于Rashba自旋軌道耦合與交換場的存在，且該體系具有非零的Chern數(shù)，因此石墨烯的Fe吸附體系是拓?fù)浞瞧接沟?，呈現(xiàn)量子反常霍爾效應(yīng)［19］.另外Ding等的計算表明，磁性金屬原子Sc，Ti，V，Mn，F(xiàn)e，Cu，Ag與Au在4×4石墨烯上的吸附亦可實現(xiàn)QAH效應(yīng)；而這些原子在3×3石墨烯上的吸附則打開了拓?fù)淦接沟膸叮憩F(xiàn)普通的半導(dǎo)體性［20］.Zhang等研究了5d過渡金屬原子在石墨烯上的吸附，發(fā)現(xiàn)吸附體系具有很大的磁矩與巨大的磁晶各向異性，并表現(xiàn)QAH效應(yīng)；另外他們發(fā)現(xiàn)這些體系具有很強(qiáng)的磁電效應(yīng)，因此可用外電場來調(diào)節(jié)這些吸附體系的磁性質(zhì)與拓?fù)漭斶\(yùn)性質(zhì)［21］.非磁性重原子吸附在石墨烯上時，可能成為拓?fù)浣^緣體.Weeks等發(fā)現(xiàn)In與Tl會使石墨烯在Dirac點(diǎn)處打開相當(dāng)大的拓?fù)浞瞧接沟膸叮皆訒蚴饺腚娮?，使費(fèi)米面落在導(dǎo)帶中［22］.Hu等的計算表明Os的吸附會使石墨烯打開超過0.2 eV的帶隙，且體系為拓?fù)浣^緣體，費(fèi)米面亦落在帶隙內(nèi)，因此不需要來調(diào)節(jié)費(fèi)米能級來進(jìn)入拓?fù)浣^緣體態(tài)［23］.盡管金屬原子在石墨烯與2D BC3上的吸附體系可能具有磁有序、超導(dǎo)電性與拓?fù)浣^緣體性質(zhì)，但為實現(xiàn)具有這些特性的吸附體系，必須考慮吸附在襯底上的金屬原子層的熱力學(xué)穩(wěn)定性.Chan的計算給出單個金屬原子在石墨烯上的吸附的結(jié)合能均低于其相應(yīng)體結(jié)構(gòu)的聚合能［13］，因此石墨烯上吸附的金屬原子可能易于形成三維團(tuán)簇.多個Fe與Au原子在石墨烯上會以團(tuán)簇的形式吸附，F(xiàn)e與Au團(tuán)簇均通過一個錨（anchor）原子吸附在石墨烯表面上［51］. Cabria研究了隨著吸附的原子數(shù)的增多Pd原子最穩(wěn)定的吸附構(gòu)型的變化，發(fā)現(xiàn)當(dāng)Pd原子數(shù)超過4時以三維團(tuán)簇的形式吸附具有比以平面形式覆蓋在石墨烯上具有更低的能量，即更傾向于形成團(tuán)簇；在石墨烯上吸附的Pd原子易于抱團(tuán)是由于Pd-Pd相互作用要強(qiáng)于Pd-C相互作用［27］.Pt原子在石墨烯上亦傾向于形成團(tuán)簇，當(dāng)Pt團(tuán)簇吸附在石墨烯上時其結(jié)構(gòu)會保持，Pt2會豎直的吸附在石墨烯上，Pt3到Pt5會通過一個或兩個錨原子吸附在石墨烯上［61］.而吸附在2D BC3上的Li，Ca等堿金屬與堿土金屬原子具有比其體結(jié)構(gòu)聚合能更高的結(jié)合能，因此這些原子可在2D BC3形成有序的吸附結(jié)構(gòu)［8，26］.另外值得注意的是，Lin的計算表明，Li，Na，K，Ca，Co，Ni，Pd，與Pt在單層硅六角結(jié)構(gòu)即硅烯上的吸附具有比其體結(jié)構(gòu)結(jié)合能還要高的吸附能，因此硅烯也可能是實現(xiàn)有序金屬原子吸附結(jié)構(gòu)的襯底［62］.考慮到Li，Ca在2D BC3可形成高覆蓋率的吸附結(jié)構(gòu)，該體系亦可應(yīng)用于氫存儲［8，26］.對Li吸附的2D BC3，一個Li原子能吸附三個氫分子，如圖6所示，氫分子平均吸附能在0.26 eV左右；對Ca吸附的2D BC3，一個Ca原子能吸附四分子，如圖7所示，氫分子平均吸附能達(dá)到0.28 eV.

3 非金屬原子與分子的吸附體系

相比金屬元素，非金屬元素及其化合物的數(shù)量更多，種類和性質(zhì)更為復(fù)雜.它們在石墨烯上的吸附結(jié)構(gòu)也更為豐富，有著極其廣闊的應(yīng)用前景，相關(guān)的研究逐漸延伸至化學(xué)、化工以及生物等領(lǐng)域.

石墨烯上最簡單的非金屬吸附體系就是各種非金屬原子.非金屬原子的吸附可以分為物理吸附和化學(xué)吸附兩種.稀有氣體的吸附通常為物理吸附.使用LDA泛函計算出的吸附能大都在幾十個到幾百個毫電子伏［63］，而PBE計算出的吸附能只有幾個到幾十個毫電子伏，兩者相差五到十倍.利用范德瓦爾斯相互作用修正PBE泛函，就可以給出和實驗一致的結(jié)果.這說明，對于稀有氣體在石墨烯上的吸附能，范德瓦爾斯相互作用的貢獻(xiàn)占了很大一部分.其他非金屬元素原子的吸附都是化學(xué)吸附.這些吸附原子和石墨烯平面中的碳原子形成很強(qiáng)的化學(xué)鍵，進(jìn)而顯著地改變石墨烯的原子結(jié)構(gòu)和電子結(jié)構(gòu)，為石墨烯帶來豐富的物理和化學(xué)性質(zhì)，因此受到廣泛關(guān)注.氫、氟、氯的一價非金屬原子通常吸附在石墨烯碳原子的頂位，和碳原子的pz軌道成鍵［64－72］.這些吸附原子破壞了碳原子原本的sp3雜化結(jié)構(gòu)，使碳原子的軌道雜化處于sp3和sp2之間［64－65］.吸附原子周圍的晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，成鍵的碳原子移出石墨烯平面，向吸附原子靠近.這些結(jié)構(gòu)和軌道雜化上的變化為石墨烯帶來了豐富的電子和磁性質(zhì).以氫原子為例，當(dāng)吸附濃度比較小，且吸附原子之間彼此孤立時，每個氫原子會誘導(dǎo)出一個玻爾磁矩［64］，這個磁矩分布在氫原子以及氫原子周圍的碳原子上.當(dāng)兩個氫原子相互靠近時，它們的磁性會相互影響，表現(xiàn)出鐵磁、反鐵磁和順磁性，具體的磁性性質(zhì)依賴于氫原子之間的距離［64，72］.當(dāng)更多的氫原子在石墨烯上形成吸附團(tuán)簇時，磁性會更加復(fù)雜.當(dāng)氫原子濃度很高時，這些原子團(tuán)簇就會出現(xiàn)［73］.兩種特殊的吸附結(jié)構(gòu)最受大家關(guān)注，這兩種吸附結(jié)構(gòu)分別稱為graphone［74］和graphane［9－10］.Graphone即石墨烯的一套子格子上吸附有氫原子，且所有的氫原子都位于石墨烯平面的一側(cè)；另一套子格子上則沒有氫原子.Graphone具有半金屬性，在自旋電子學(xué)中有潛在的應(yīng)用價值［74］.在graphane中，所有碳原子的pz軌道都被氫原子飽和.該體系沒有磁性，是一個半導(dǎo)體.有一種觀點(diǎn)認(rèn)為石墨上的氫原子能夠解釋石墨中觀察到的磁性，但該觀點(diǎn)并沒有成為共識.除了磁性以外，石墨烯上吸附的的氫原子還會在石墨烯中引入帶隙.計算表明，當(dāng)石墨烯位于Ir襯底上，在石墨烯上吸附的氫原子會形成特定的吸附結(jié)構(gòu).這些吸附原子將原本帶隙為零的石墨烯變成了一個半導(dǎo)體［11］，為進(jìn)一步研究石墨烯電子器件奠定基礎(chǔ).研究表明，氟原子等鹵素原子吸附在石墨烯上之后也會表現(xiàn)出相似的物理和化學(xué)性質(zhì)［65－71］.雖然一價非金屬原子吸附會帶來很多有趣的性質(zhì)，但是這些性質(zhì)的具體特點(diǎn)依賴于具體的吸附結(jié)構(gòu)，這需要系統(tǒng)地研究吸附原子之間的相互作用.有的研究組利用集團(tuán)展開法研究了特定濃度下氫原子在石墨烯上的有序吸附結(jié)構(gòu)［28］.其他濃度下的吸附情況目前還沒有進(jìn)一步的研究.

二價非金屬原子，諸如氧原子、硫原子在石墨烯上的吸附也是目前的研究熱點(diǎn)之一，主要目的就是在石墨烯中引入帶隙.氧原子吸附的相關(guān)研究指出，氧原子傾向于吸附在石墨烯的橋位上［75－76］，與橋位兩端的兩個碳原子成鍵.這兩個碳原子移出石墨烯平面，向氧原子靠近.當(dāng)吸附濃度比較低、氧原子處于孤立狀態(tài)時，吸附體系仍然是一個半金屬［77］.為了引入帶隙，需要比較高的氧原子濃度，或者吸附的氧原子能夠形成有序結(jié)構(gòu).另一方面，由于氧原子傾向于吸附在橋位，且氧原子和石墨烯的相互作用比較強(qiáng)，所以氧原子吸附的有序結(jié)構(gòu)很復(fù)雜［78］.Yan等人曾經(jīng)利用形成能和能量凸圖的方法簡要的研究了氧原子吸附的有序結(jié)構(gòu)，結(jié)果表明石墨烯表面的氧原子傾向于處于無序或者相分離的狀態(tài)［79］.Huang等人進(jìn)一步利用集團(tuán)展開和蒙特卡羅模擬的方法研究了氧原子吸附結(jié)構(gòu)的相圖.他們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)氧原子只吸附在石墨烯的單側(cè)表面時會出現(xiàn)有序吸附［12］.該結(jié)構(gòu)是一個準(zhǔn)一維的窄帶隙半導(dǎo)體.硫原子吸附的DFT研究很少，目前的單原子吸附研究表明，硫原子吸附的性質(zhì)和氧原子的情況很相似［80］.

相比摻雜，三價非金屬原子在石墨烯上的吸附研究的比較少.DFT計算表明，吸附在石墨烯上的硼原子可以無勢壘的替換碳原子，形成空穴摻雜［81］.氮原子和磷原子傾向于吸附在石墨烯的橋位［80，82］，和周圍的兩個碳原子成鍵.這兩個碳原子在吸附原子的作用線，離開石墨烯平面，向吸附原子靠近.氮原子和磷原子的吸附引入了電子摻雜和局域軌道，使石墨烯變成了一個磁性金屬，磁矩分別為0.84 μB／氮原子和0.86 μB／磷原子.

作為石墨烯的組成成分，碳原子在石墨烯上的吸附與遷移也是一個很有趣的問題.DFT計算表明，碳原子吸附之后，石墨烯從半金屬變成了金屬，同時具有磁性［83－84］.磁性的大小依賴于吸附原子之間的距離，當(dāng)吸附原子之間的距離趨向于無窮時，磁矩趨向于0.25 μB［84］.計算表明，硅原子和鍺原子在石墨烯上的吸附也具有相似的性質(zhì)［85］.

小分子在石墨烯上的吸附也可以分為物理吸附和化學(xué)吸附兩類.其中化學(xué)吸附主要涉及小分子自由基，比如氮烯基［86］、烴基［87－88］、羥基、醛基、羧基［12，77－79，89－90］等等.諸如烴基等單價自由基傾向于吸附在石墨烯碳原子的頂位，而氮烯基這樣的兩價自由基則傾向于吸附在橋位［86］.吸附之后的原子結(jié)構(gòu)和非金屬原子吸附的情況類似.因為自由基有未配對電子，所以自由基吸附會帶來載流子摻雜，氮烯基、烴基、醛基、羧基會帶來磁性［86－90］.羥基也會給石墨烯引入磁性，磁矩的大小依賴于羥基的濃度.當(dāng)自由基濃度比較高的時候，需要考慮自由基之間的相互作用及其對磁性的影響.在所有相關(guān)的研究中，羥基的研究是最充分的.計算表明，當(dāng)兩個近鄰的羥基分別處于兩套不同的子格子上時，整個體系是無磁的；反之則有磁性［77，90］.當(dāng)羥基的濃度很高的時候，需要研究羥基在石墨烯上吸附的有序結(jié)構(gòu).參考文獻(xiàn)［77，79］中用形成能和能量凸圖的方法做了相關(guān)研究，結(jié)果表明，羥基在石墨烯上傾向于形成相分離或者無序的狀態(tài).

其他滿殼層的小分子通常在石墨烯上形成物理吸附.這方面的研究因為其廣泛的應(yīng)用而備受關(guān)注.其中最為引人注目的是分子探測器和儲氫方面的研究.自從Schedin和Geim利用實驗做成了首個NO氣體探測器以來［33］，基于石墨烯的小分子探測器一直是研究的前沿.一些小分子吸附在石墨烯上后會改變石墨烯的某些物理性質(zhì)，例如電荷轉(zhuǎn)移和磁性.通過測量這些性質(zhì)的變化就可以探測小分子.因此需要詳細(xì)研究小分子吸附帶來的性質(zhì)變化.一些氧化性比較強(qiáng)的氣體分子，例如鹵素氣體分子、二氧化氮、水分子和TCNQ分子吸附在石墨烯上時［34－35，91－96］，電荷會從石墨烯上轉(zhuǎn)移到分子上，形成空穴摻雜；還原性比較強(qiáng)的分子，諸如氨分子、一氧化碳、一氧化氮分子吸附在石墨烯上時，電荷會轉(zhuǎn)移到石墨烯上，形成電子摻雜［35，91］；苯等烴類物質(zhì)的吸附則不會帶來電荷轉(zhuǎn)移［97］.電荷密度的改變會改變石墨烯的電阻，測量電阻就可以測量氣體分子的吸附情況，進(jìn)而探測環(huán)境中特定的氣體分子［33］.還有一些分子，比如TCNE分子吸附在石墨烯上后，電子從石墨烯上轉(zhuǎn)移到TCNE分子上［96］，占據(jù)TCNE分子的磁性反鍵軌道，從而產(chǎn)生自旋劈裂和磁性.這也可以用來探測小分子.Lin等使用近似的統(tǒng)計模型計算了H2O，NH3，CO與NO2等極性小分子在純凈石墨烯表面的吸附量，發(fā)現(xiàn)各分子的吸附量遠(yuǎn)低于在實驗石墨烯器件上的吸附量，而分子在被氧化的石墨烯邊緣的吸附則較強(qiáng)，即被氧化的石墨烯邊緣可能在石墨烯分子探測器件上起重要作用［36］.石墨烯上吸附小分子的另一個應(yīng)用就是儲氫.石墨烯是一個二維體系，其表面積很大，在儲氫方面有很大的優(yōu)勢.計算表明，孤立的氫分子可以吸附在石墨烯上，但是吸附能僅為幾十個毫電子伏［98］.這為應(yīng)用石墨烯儲氫帶來了很大的困難.實際上，所有的小分子和石墨烯的相互作用都是范德瓦爾斯相互作用，即使利用范德瓦爾斯修的DFT方法，計算出的吸附能也很小.人們通常使用金屬原子修飾、非金屬元素?fù)诫s和空位吸附的方法增強(qiáng)小分子在石墨烯上的吸附.金屬原子吸附在在石墨烯上會增強(qiáng)氫氣分子的吸附，這第一點(diǎn)前面已經(jīng)介紹過了.在石墨烯中吸附或者摻雜少量的硼后，小分子的吸附能力極大增強(qiáng)［99－101］.計算表明，氮?dú)?、一氧化碳等氣體分子和石墨烯中雙空位的相互作用很強(qiáng)，吸附能很大［102］.一些小分子還會在缺陷處發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，例如氮?dú)夥肿釉谑╇p空位處會發(fā)生分解［102］；氫氣分子在氮?dú)鈸诫s的石墨烯上會發(fā)生分解，分解過程可以由電場控制［103］.這些發(fā)現(xiàn)，為石墨烯在催化方面的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ).

隨著石墨烯吸附體系研究的進(jìn)行，一些有機(jī)或者生物大分子體系的吸附也逐漸進(jìn)入人們的視野［104］.為了利用石墨烯制作分子生物探測器，人們迫切需要知道大分子吸附在石墨烯上的行為以及吸附帶來的某些獨(dú)特的性質(zhì)，相關(guān)問題為計算物理帶來了巨大的挑戰(zhàn).通常需要用很大的石墨烯襯底來研究大分子的計算，大分子本身計算量也相當(dāng)可觀［105］，計算時還需要考慮范德瓦爾斯相互作用的修正［106］.現(xiàn)有的從頭計算方法通常只能研究某些很小的生物分子，例如多環(huán)芳香烴［105］、核酸堿基［107］和氨基酸［108］.為了研究更大的體系，人們通常使用其他的方法，比如分子動力學(xué)［108］或者有效模型方法［109－111］.這一領(lǐng)域的進(jìn)一步發(fā)展有待于新方法的提出和應(yīng)用.

相比石墨烯，非金屬元素在硼碳基平面上吸附的研究比較少.目前為止研究主要集中在氫原子的化學(xué)吸附.硼碳基平面中的硼原子極大地增強(qiáng)了吸附氫原子的能力［110］.體系吸附氫原子之后，性質(zhì)有了豐富的變化.BC3平面沒氫化時是一個間接帶隙半導(dǎo)體；當(dāng)所有碳原子被氫化之后就變成了直接帶隙半導(dǎo)體，硼原子和碳原子都被氫化后變成了金屬［111－112］，如圖8所示.BC7平面是一個金屬，氫化之后會變成半導(dǎo)體［113］. BC3、BC5和BC7平面被半氫化后會出現(xiàn)磁性［114］，如圖9，10所示.這些性質(zhì)意味著氫化硼碳基平面在電子學(xué)和自旋電子學(xué)中有很大的潛在應(yīng)用價值.

4 結(jié)論

綜述金屬原子與非金屬原子和分子在石墨烯、2D BC3二維硼碳基納米結(jié)構(gòu)上的吸附所表現(xiàn)出的各種物理性質(zhì)及可能的應(yīng)用.當(dāng)金屬原子吸附在石墨烯表面時，體系的電子性質(zhì)相對于純凈的石墨烯會發(fā)生變化.堿金屬、堿土金屬原子和IIIA族原子在石墨烯上的吸附呈現(xiàn)離子性，存在吸附原子向襯底的電荷轉(zhuǎn)移.過渡金屬、貴金屬與IVA原子在石墨烯上的吸附呈現(xiàn)共價性，吸附原子與石墨烯的電子態(tài)存在強(qiáng)的雜化.在高覆蓋率下，吸附的原子層的s能帶電子態(tài)與石墨烯的電子態(tài)產(chǎn)生雜化.當(dāng)堿金屬與堿土金屬原子吸附在2D BC3上時，在高的覆蓋率下，堿金屬在費(fèi)米面處的貢獻(xiàn)非常小.某些吸附的金屬原子具有局域磁矩，吸附的堿金屬原子向2D BC3摻入電子，在費(fèi)米面被調(diào)制到第一導(dǎo)帶的范霍夫奇點(diǎn)時體系可能出現(xiàn)鐵磁、自旋密度波等巡游磁有序.堿金屬在石墨烯上的吸附體系LiC6具有比較高的由聲子驅(qū)動的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度，且堿金屬吸附的硼碳基單層可能出現(xiàn)手性超導(dǎo).磁性過渡金屬原子吸附的石墨烯可能呈現(xiàn)量子反?；魻栃?yīng).重的非磁性原子在石墨烯上的吸附體系可能為拓?fù)浣^緣體.考慮吸附在襯底上的金屬原子層的穩(wěn)定性，研究表明石墨烯上吸附的過渡金屬原子Fe、Pd、Pt等可能易于形成三維團(tuán)簇，而硼原子的存在使得2D BC3平面吸附金屬的能力大大提高，Li，Ca等的吸附能均高于其體結(jié)構(gòu)的結(jié)合能，且2D BC3的Li和Ca吸附體系具有較好的儲氫性能.非金屬原子在石墨烯上的吸附一般為化學(xué)吸附.一價非金屬原子氫、氟、氯通常吸附在一個碳原子上，和碳原子的pz軌道成鍵.對吸附的氫原子，當(dāng)吸附濃度比較小，且吸附原子之間彼此孤立時，每個氫原子會誘導(dǎo)出一個玻爾磁矩；但在高濃度下若氫原子吸附在不同的子格子磁性會減弱甚至消失.石墨烯上吸附的氫原子還會在石墨烯中引入帶隙.一價非金屬原子吸附性質(zhì)的具體特點(diǎn)依賴于具體的吸附結(jié)構(gòu)，需要系統(tǒng)地研究吸附原子之間的相互作用來確定原子在石墨烯上的有序吸附結(jié)構(gòu).二價非金屬原子，諸如氧原子、硫原子的吸附亦會在石墨烯中引入帶隙.氧原子傾向于吸附在石墨烯的橋位上.為了引入帶隙，需要比較高的氧原子濃度，或者吸附的氧原子能夠形成有序結(jié)構(gòu).研究表明，氧原子吸附的有序結(jié)構(gòu)很復(fù)雜，石墨烯表面的氧原子傾向于處于無序或者相分離的狀態(tài)，但當(dāng)氧原子只吸附在石墨烯的單側(cè)表面時會出現(xiàn)有序吸附.其他的非金屬原子的單吸附，可能具有局域磁矩.小分子自由基化學(xué)吸附在石墨烯上，會帶來載流子摻雜或磁性，但在高濃度下磁性質(zhì)依賴于吸附構(gòu)型.滿殼層的小分子通常在石墨烯上形成物理吸附.小分子的吸附會給石墨烯帶來空穴摻雜電子摻雜，使石墨烯表現(xiàn)出非常好的分子探測性能.為了利用石墨烯制作分子生物探測器，人們亦開始研究大分子吸附在石墨烯上的行為以及吸附帶來的某些獨(dú)特的性質(zhì).2D BC3的非金屬吸附研究主要集中在氫原子的化學(xué)吸附，當(dāng)所有碳原子被氫化之后就變成了直接帶隙半導(dǎo)體，硼原子和碳原子都被氫化后變成了金屬.

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Adsorption on Two-dimensional Boron and Carbon Based Nanostructures and Properties

LIN Xianqing，CHEN Xi，NI Jun
（Department of Physics and State Key Laboratory of Low-Dimensional Quantum Physics，Tsinghua University，Beijing 100084，China）

We review physical properties and potential applications of two-dimensional boron and carbon based nanostructures such as graphene and BC3sheet adsorbed with metal atoms，non-metal atoms or molecules.Pristine graphene is semi-metallic with zero band gap，which is nonmagnetic and has weak spin orbit coupling（SOC）.BC3sheet is a semiconductor with an indirect band gap.As graphene and BC3sheet are adsorbed with metal atoms，non-metal atoms or molecules，graphene systems may have a band gap at Dirac point，strong SOC，magnetic order and superconductivity.Applications in hydrogen storage may be realized in graphene and BC3systems.In addition，it has been demonstrated that graphene can be used as gas sensors with significantly high precision.

two-dimensional boron and carbon based nanostructures；adsorption of metal atoms；adsorption of non-metal atoms and molecules；stability of adsorption；electronic structure of adsorption

date：2013－11－11；Revised date：2013－12－05

O485

R

1001-246X（2014）03-0253-18

2013－11－11；

2013－12－05

國家自然科學(xué)基金（11374175，11174171）、國家重大科技專項（2008ZX06901）及清華信息科學(xué)與技術(shù)國家實驗室資助項目

林現(xiàn)慶（1986－），男，博士，從事計算凝聚態(tài)物理研究

*通訊作者：倪軍，男，教授，E-mail：junni＠m(xù)ail.tsinghua.edu.cn