二维层状过渡金属二氮化物稳定纳米结构及其基础物性的理论研究

The recent discovery of layered transition-metal dinitrides like ReN2 and MoN2 provides a new research direction for metal compound nanomaterials. For these transition-metal dinitride (MN2) nanostructures, there are several debates between the theoretical and experimental results. It is thus desirable to conduct a comprehensive exploration on the geometric structures and physical properties of MN2 nanomaterials. In this project, we will perform a systematic theoretical investigation on two-dimensional MN2 nanostructures: 1) We will search for the stable conformations of H-phase, T-phase and other types of structures for MN2 nanosheets, and discuss their diverse physical properties, for which the mechanism of formation and transformation of different phases will be unveiled. 2) We will also explore the effect of metal decoration on the ground state structures of MN2 nanosheets. Detailed changes of structural stability and physical properties will be identified in these decorated MN2 systems, and the corresponding modulation rules will be summarized. 3) Besides that, the surface functionalizations of MN2 nanosheets by non-metal groups are also studied in this project. We will focus on the variable functionalized structures under different chemical potentials, and analyze the assistance of surface functionalization in forming stable MN2 nanostructures. 4) We will further reveal the intrinsic relationship between structure and property of MN2 systems, and propose feasible approaches to modulating the properties and obtaining new forms of structures for them. Our study will help to understand the experimental phenomena and design novel functional metal nitride-based nanomaterials.

新型层状二氮化物ReN2和MoN2的发现为金属化合物纳米材料提供了新的研究方向。对于二维MN2（M为过渡金属）纳米结构，当前的理论与实验结果还存有争议，缺乏对其稳定位形与物理性质的全面探索。因此，本项目将对二维MN2纳米结构开展系统性的理论研究：1)研究H相、T相及其他构型下MN2纳米片层的稳定位形与物性特征，揭示不同构型的形成与转化机制；2)研究MN2表面结合金属对其基态结构的调控作用，探索三元AxMN2纳米片层在不同化学配比下的结构稳定性与物性变化规律；3)研究不同化学势下MN2表面修饰的非金属基团类型及其所形成的吸附结构，揭示表面修饰对其纳米结构形成与稳定的帮助作用；4)展现MN2体系中结构与物性的内禀联系，探讨不同MN2纳米材料的形成方式与物理特性的调控手段，解释相关实验现象与物理规律，为设计功能化的金属氮基纳米材料提供理论帮助。

利用第一性原理计算，我们对于层状过渡金属MN2材料的结构和物性开展了系统地研究，主要研究成果有：(1) 研究了MoN2和ReN2单层的基态结构与其物性特征，发现双层六角结构（BHS）是它们真正能量最低的稳定位形，BHS-MoN2是一类半导体材料，通过空穴掺杂可变为铁磁性半金属；而BHS-ReN2则是一类拓扑绝缘体材料，可利用应变调节将其转变为拓扑金属。(2) 揭示了实验所发现的半导体性TaN2层状材料具有一种独特的M相结构，其可被视为H相与T相的杂化位形，具有部分N-N成键的特性，此类M相结构也是V族MN2单层的基态结构；进一步探索了表面氢化对于V族MN2体系的影响，发现对于H相结构，氢化的MN2是一类铁谷材料，其不仅具有内禀铁磁性还会形成自发的谷极化现象。 (3) 进一步研究了MN2表面修饰SiN层所构建而成的MSi2N4材料，得到了4d/5d过渡金属元素所形成的不同MSi2N4稳定位形，发现其多样的电子性质和磁性质；研究了由III-VI族元素表面修饰VN2所形成的VN2X2Y2纳米结构，发现VN2B2S2和VN2Ga2O2体系中同样会出现自发的谷极化现象，利用应变可调控谷极化的位置，由此产生量子反常霍尔电子态。(4) 研究了由非金属元素所构成的XN2体系，发现SN2体系可以形成稳定的BHS片层结构，其在空穴掺杂情况下可以出现量子反常霍尔电子特性；研究发现了类黑磷结构的C2N2单层，发现了其巨大的各向异性输运特征，是已知二维材料中最显著的各向异性行为。(5) 此外，我们还研究了C3N纳米带稳定的边缘结构和多样的物性特征，研究了表面修饰对哑铃型硅烯、Sn2Bi单层的影响，考察了XYBe3单层的结构和性质特征，探索了这些无机纳米材料在水分解、太阳能电池等方面的应用前景。通过系统性研究二维纳米材料的结构和物性特征，本项目已在国际著名物理化学刊物Nanoscale、J. Mater. Chem. C、J. Phys. Chem. C、Appl. Phys. Lett.、Phys. Chem. Chem. Phys.、ACS Omega上共发表 SCI 论文 12篇，其中1篇被选为期刊封底论文。

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