关于中国物理学会推荐申报2014年度国家自然科学奖项目的公示

发布者：系统管理员发布时间：2014-08-13浏览次数：31

项目名称：低维材料中新奇量子现象及其调控的机理研究
完成人：段文晖、顾秉林、吴健、周刚
项目简介：
低维材料被视为未来信息科学技术特别是新一代量子器件的基础，并在能源和材料等交叉领域中呈现引领作用，是当前凝聚态物理和材料科学最活跃的前沿领域之一。本项目紧密结合科技部973计划新材料领域以及重大科学研究计划量子调控领域的研究目标，面向低维材料及其器件发展的需要，以电子结构和输运性质研究为基础，系统探索了几种重要的低维材料的新奇量子现象及其应用原理。项目组研究了下述几个紧密关联的问题：1)以石墨烯为代表的二维材料中的新奇量子现象；2)低维材料电子性质和（电/热/自旋）输运行为的量子调控机理；3)基于低维材料的电子和自旋器件的原理和应用。项目的主要发现和学术影响总结如下：
石墨烯体系中的新奇量子现象：发现具有相似金属性能带结构的zigzag型石墨烯纳米带在外加偏压下可呈现出完全不同的金属或半导体性的I-V 特征，并据此提出了基于波函数对称性的选择定则，该工作首次对能带结构完全决定导电性质的传统观点提供了一个反例；率先提出基于单层石墨烯构筑具有同质结构功能器件的方案，其中的金属/半导体结、双极和n型场效应管的实施方案很快被他人的实验工作（发表在Science, Nature Nanotechnology等）所实现。
低维体系能带调控：预言金属型碳纳米管在应力下将发生金属-半导体转变，阐明其物理机制是受压所造成的镜像对称破缺和侧壁原子的成键作用，该工作被他人用于解释其在Science上发表的实验结果，并作为发展机电性能模型和相关计算方法的依据；阐明表面氢桥键导致n型掺杂的普适物理机制，不但成功解释SiC等半导体中氢吸附引起的表面金属化现象，而且有关SrTiO3的预言为实验工作所证实；指出通过边缘吸附可在氮化硼纳米带得到半金属性Dirac电子态，发现巨斯塔克效应的标度规律，提出的理论方法为他人采用；首次提出在铁电超晶格材料中通过组分调制诱导新铁电相从而提高材料性能的方法与机制，对BaTiO3铁电超薄膜材料的铁电相图和180°畴界的理论预言为实验所证实。
低维体系输运行为与电子隧穿：指出与传统的Fermi海中电子场发射模型不同，纳米体系场发射中顶端局域电子结构起决定性作用，提出外场使得束缚电子借助于共振隧穿效应发射的机理，给出的碳纳米管功函数数值被一些实验和理论工作者所直接采用；首次发现BN纳米管可以呈现巨自旋分裂效应，设计了基于该效应的自旋极化电子场发射源。
代表性论文专著目录：

1.Role of symmetry in the transport properties of graphene nanoribbons under bias
Physical Review Letters 100, 206802 (2008).
Zuanyi Li, Haiyun Qian, Jian Wu, Bing-Lin Gu, and Wenhui Duan*.

2.Intrinsic current-voltage characteristics of graphene nanoribbon transistors and effect of edge doping
Nano Letters 7, 1469 (2007).
Qimin Yan, Bing Huang, Jie Yu, Fawei Zheng, Ji Zang, Jian Wu, Bing-Lin Gu, Feng Liu* and Wenhui Duan*

3.Metal-to-semiconductor transition in squashed armchair carbon nanotubes.
Physical Review Letters 90, 156601 (2003).
Jun-Qiang Lu, Jian Wu, Wenhui Duan, Feng Liu, Bang-Fen Zhu, and Bing-Lin Gu.

4.Electronic structure and field emission characteristics of open-ended single-walled carbon nanotubes
Physical Review Letters 87, 95504 (2001).
Gang Zhou, Wenhui Duan, and Bing-Lin Gu.

5.Physical origin of hydrogen-adsorption-induced metallization of the SiC surface: n-type doping via formation of hydrogen bridge bond
Physical Review Letters 95, 196803 (2005).
Hao Chang, Jian Wu, Feng Liu, Bing-Lin Gu, and Wenhui Duan*

6.Huge enhancement of electromechanical responses in compositionally modulated Pb(Zr1-xTix)O3Physical Review Letters 91, 067602 (2003).
Ningdong Huang, Zhirong Liu, Zhongqing Wu, Jian Wu, Wenhui Duan*, Bing-Lin Gu, and Xiao-Wen Zhang.

7.Adsorption of gas molecules on graphene nanoribbons and its implication for nano-scale molecule sensor
The Journal of Physical Chemistry C 112, 13442 (2008).
Bing Huang, Zuanyi Li, Zhirong Liu, Gang Zhou, Shaogang Hao, Jian Wu, Bing-Lin Gu and Wenhui Duan*.

8.Half metallicity along the edge of boron nitride zigzag nanoribbons
Physical Review B 78, 205415 (2008).
Fawei Zheng, Gang Zhou, Zhirong Liu, Jian Wu, Wenhui Duan*, Bing-Lin Gu, and Shengbai Zhang.

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