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 申报奖种：山东省自然科学奖3 申报等级：二等奖二、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SCI引用次数高达94次，其中SCI他引次数高达73次。

8篇论文影响因子共计39.258，SCI引用总次数293次，其中SCI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。

我单位认真审阅了该项目推荐书及其附件材料，确认全部材料真实有效，相关栏目均符合山东省科学技术奖励委员会办公室的填写要求。

按照要求，我单位和项目合作单位都已对该项目的拟推荐情况进行了公示，公示期间无异议。

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XX大学和XX 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。

XX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。

XX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。