我校2019年度山东省科技进步奖推荐项目公示(一)
发布时间: 2019-04-04


 各部门:

我校组织申报的2019年度山东省科学技术奖项目,现在全校进行公示。

在公示期内,任何单位和个人对公示的项目有异议者,可以书面形式向学校科技处提出,提出异议须申明理由和事实依据。部门提出的异议,须在异议材料上加盖本部门公章,并注明联系人工作单位、通讯地址和联系电话;个人提出的异议,须在异议材料上签署真实姓名,并写明本人工作单位、通讯地址和联系电话。

过期或不按要求提出的异议,不予受理。

公示期:20194月4-412

 

联系人:庞国臣

联系电话:0539-7258176

邮箱:kyc@lyu.edu.cn


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8篇代表性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SCIE引用次数高达88次,其中SCIE他引次数高达69次。8篇论文共计SCIE引用次数314次,其中SCIE他引次数共计239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。

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。由临沂大学和南京大学合作,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,先后得到多个国家自然科学基金的支持,在低维物理领域内取得了一些重要成果。

1.   二维Dirac材料薄膜(六角晶格结构)拓扑性质的研究

利用密度泛函理论计算,研究H边界吸附对锯齿形双层Bi(111)纳米带的拓扑边缘状态的调制;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。研究表明无H吸附的双层Bi(111)薄膜是二维拓扑绝缘体(具有鲁棒性)H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,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。

2.  石墨烯电子性质研究

利用理论计算相结合的方法对石墨烯二维碳基纳米结构的电子性质进行了系统研究。研究H等原子在石墨烯和有Stone-Thrower-Wales(STW)缺陷的石墨烯的吸附性质和磁性性质。研究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,给出了原子吸附使STW缺陷石墨烯的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.     金属-分子(石墨烯)-金属纳米结的电子输运性质研究

我们利用密度泛函理论研究了系列有机分子电导与长度的关系。发现一般情况下分子电导随长度的增加呈指数衰减,电子传递遵循隧穿机理。饱和烷烃的衰减因子最大,而共轭全反式聚乙炔的最小。另一方面,由于分子能隙与电子传递的势垒密切相关,衰减因子与分子能隙存在定量关系。本研究揭示了分子电导与长度的关系存在多样性的原因,即分子电导随长度的衰减不仅与分子的能隙相关,而且与电子传递路径密切相关,为设计及探索理想的分子导线提供了方向。吸附在Ni(111)Cu(111)表面的锯齿型石墨烯纳米带的电子输运的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。

本项目相关的8篇代表性论文发表在国际重要期刊上,其中有《Carbon》、《Nano Lett.》、《Phys.Rev.B》、《Appl.Phys.Lett.》和《ChemPhysChem》等。论文单篇SCIE引用次数高达88次,其中SCIE他引次数高达69次。8篇论文共计SCIE引用次数314次,其中SCIE他引次数共计239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49次,他引35次。Xiangkai Kong等人2017年在《Chem. Soc. Rev.》上发表《Elemental two-dimensional nanosheets beyond graphene》的研究论文,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)

(2) 代表性研究论文2Z. F. Wang, Li Chen*, and Feng Liu. Tuning Topological Edge States of Bi(111) Bilayer Film by Edge Adsorption. Nano Letters 14, 2879 (2014)】,关于吸附H原子对锯齿双层Bi纳米带的拓扑边界态的调制研究,目前引用59次,他引45次,山东大学赵明文教授研究小组在《Nano Letters》上引用了我们的研究成果:边界的GaBi原子可以通过H原子消除不饱和的悬挂键(Nano Letters 2015, 15, 1296)

(3) 代表性研究论文3Li 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43次,他引33次,布莱顿大学的Raymond L. D. Whitby教授2014年在《ACS Nano》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)

(4) 代表性研究论文2Li 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23次,他引12次,北京大学的Zhirong Liu教授于2011年在《ACS Nano》上发表了《Bandgap Opening in Graphene Antidot Lattices: The Missing Half》,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)。荷兰埃因霍温科技大学的Giesbers教授于2013年《Phys. Rev. Lett》上的《Interface-Induced Room-Temperature Ferromagnetism in Hydrogenated Epitaxial Graphene》,文中石墨烯的边界或通过H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)

(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88次,他引达到69次,部分研究内容被《ACS Nano、《J. Am. Chem. Soc.》等顶级学术期刊所引用。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《Exponential Attenuation of Through-Bond Transmission in a Polyene: Theory and Potential Realizations》的研究论文(ACS Nano, 2015, 9, 11109),文中高度评价了我们的工作,刘洪梅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。他们所得到的实验结果与刘洪梅等人采用理论计算方法预言的结果高度吻合。

瑞士伯尔尼大学的资深化学家Thomas Wandlowski教授2012年在《J. Am. Chem. Soc. 》上发表《Correlations between Molecular Structure and Single-Junction Conductance: A Case Study with Oligo(phenylene-ethynylene)-Type Wires》的研究论文,论文中多次引用本项目代表性论文5的成果。他们报道了低聚亚苯基乙炔撑类分子的电导衰减因子,并与刘洪梅等人的理论计算预言的结果进行了对比,发现趋势非常一致。Thomas Wandlowski教授还评论到大量的实验测量和理论计算结果都表明以硫醇作为连接基团的共轭分子中的电子传递机制是共振隧穿类型(J. Am. Chem. Soc. 2012, 134, 5262−5275)

(6) 代表性研究论文6 Hongmei Liu*, Hisashi Kondo, and Takahisa Ohno, Contact effects of nickel and copper on electron transport through graphene. Physical Review B, 86, 155434 (2012)】石墨烯与NiCu等金属界面的电子输运研究,被引用14次,他引11次。英国剑桥大学Stephan Hofmann教授在2013年《Nano Letters》上发表《Observing Graphene Grow: Catalyst-Graphene Interactions during Scalable Graphene Growth on Polycrystalline Copper》的研究论文(Nano Letters 2013, 13, 4769−4778),文中引用了我们的工作,当单层石墨烯与铜表面直接接触时,氧原子的层间插入对材料性质有重要影响。

(7) 代表性研究论文7Dongchao Wang, Li Chen*, Xiaoli Wang, Guangliang Cui and Pinhua Zhang, The effect of substrate and external strain on electronic structures of stanene film. Phys. Chem. Chem. Phys. 17, 26979-26987 (2015)】,被引用26次,他引25次。Mathew J. Cherukara 等人在《Ab Initio-Based Bond Order Potential to Investigate Low Thermal Conductivity of Stanene Nanostructures》的研究论文中评论了我们的工作:低褶皱结构的锡是一种拓扑绝缘体,电子可以沿边界自由移动。理论计算的结果预测了低褶皱结构的锡及其衍生物是具有较大带隙的二维量子自旋霍尔绝缘体(J. Phys. Chem. Lett. 2016, 7, 3752−3759)

(8) 代表性研究论文8Li Chen*, Guangliang Cui, Pinhua Zhang, Xiaoli Wang, Hongmei Liu, and Dongchao Wang. Edge state modulation of bilayer Bi nanoribbons by atom adsorption. Phys. Chem. Chem. Phys. 16, 17206 (2014)】,被引用12次,他引9次。美国德州大学的Qian Niu教授在2016年《Reports on Progress in Physics》上发表《Topological phases in two-dimensional materials: a review》的研究论文,文中引用了我们的工作,双层Bi薄膜包含较重的第五族元素时,自旋轨道耦合效应很强,能够引起价带和导带的能带反转,从而形成拓扑绝缘体”(Rep. Prog. Phys. 2016, 79, 066501)


 

五、代表性论文目录

序号

论文专著名称

发表刊物(出版社)

发表(出版)时间

JCR分区

作者(按刊物发表顺序)

影响

因子

他引

总次数

SCI

引次数

1

Robustness   of two-dimensional insulator states in bilayer bismuth against strain and   electrical field

Physical Review B

87, 235420   (2013)

2013-06

2

Li Chen;⃰ Zengfei Wang; Feng Liu

3.813

35

35

2

Tuning Topological   Edge States of Bi(111) Bilayer Film by Edge Adsorption

Nano   Letters

14, 2879 (2014)

2014-04

1

Zengfei Wang; Li Chen;⃰ Feng Liu

12.080

45

45

3

Atomic chemisorption on   graphene with Stone–Thrower–Wales defects

Carbon

49, 3356   (2011)

2011-04

1

Li Chen;⃰   H Hu;Yu Ouyang; Hongzhe Pan; Yuanyuan Sun; Feng Liu

7.082

33

33

4

Magnetism in   nanopatterned graphite film

Applied Physics Letters

93, 223106   (2008)

2008-12

1

Li Chen;⃰ Decai Yu; Feng Liu

3.495

12

12

5

Length-Dependent   Conductance of Molecular Wires and Contact Resistance in Metal–Molecule–Metal   Junctions

ChemPhysChem   

9, 1416 (2008)

2008-06

2

Hongmei Liu; Nan Wang; Jianwei   Zhao;⃰ Yan Guo; Xing Yin;Freddy Boey; Hua Zhang

2.947

69

69

6

Contact effects of   nickel and copper on electron transport through graphene

Physical Review B

86, 155434   (2012)

2012-10

2

Hongmei Liu; ⃰   Hisashi Kondo; Takahisa Ohno

3.813

11

11

7

The effect of substrate   and external strain on electronic structures of stanene film

Physical Chemistry Chemical Physics

17, 26979 (2015)

2015-07

1

Dongchao Wang Li Chen;⃰ Xiaoli   Wang, Guangliang Cui and Pinhua Zhang

3.906

25

25

8

Edge state   modulation of bilayer Bi nanoribbons by atom adsorption

Physical Chemistry Chemical Physics

16, 17206 (2014)

2014-06

1

Li Chen;⃰ Guangliang Cui;   Pinhua Zhang; Xiaoli Wang; Hongmei Liu; Dongchao Wang

3.906

9

9


六、主要完成人情况

1)姓名:陈丽,排序:1/4,职称:教授,工作单位:临沂大学,完成单位:临沂大学。

作为项目负责人主持了本项研究工作,负责总体设计,对创新点123478做出了突出贡献。对创新点1的贡献是发现双层Bi薄膜在衬底和电场的影响下是稳定的二维拓扑绝缘体,支撑材料为附件1;对创新点2的贡献是揭示了H吸附对Bi纳米带的拓扑边缘态的调控机制,支撑材料为附件2;对创新点3的贡献是阐明了吸附使缺陷石墨烯的电子结构变化的机制,支撑材料为附件3;对创新点4的贡献是发现含有锯齿型纳米孔的石墨烯的基态为铁磁态,支撑材料为附件4;对创新点78的贡献是揭示了衬底和应力对锡烯薄膜拓扑性质的调控机制及发现了实现量子自旋霍尔效应的理想材料,支撑材料为附件78。是代表性论文1348的第一作者、论文123478的通讯作者。

2)姓名:刘洪梅,排序:2/4,职称:教授,工作单位:临沂大学,完成单位:南京大学。

刘洪梅作为项目的参与人,利用第一性原理研究了石墨烯的电子输运性质,对创新点568做出了突出贡献。其中对创新点5的贡献是发现系列分子导线的电导随长度的增加呈指数衰减,电子传递遵循隧穿机理,衰减因子与分子能隙存在定量关系,支撑材料为附件5对创新点6的贡献是发现Cu-石墨烯体系的界面接触电阻约为Ni-石墨烯体系的10倍,揭示了石墨烯与不同金属接触时界面接触电阻的起源,支撑材料为附件6;对创新点8的贡献对创新点8的贡献发现锯齿的双层Bi纳米带可作为制备纳米电子器件的优选对象,支撑材料为附件8。是代表性论文56第一作者、代表性论文6的通讯作者和代表性论文8的合作作者。

3)姓名:王东超,排序:3/4,职称:讲师,工作单位:临沂大学,完成单位:临沂大学。

王东超作为项目的参与人,利用第一性原理研究了Dirac费密子体系的电子结构,对创新点78做出了突出贡献。其中对创新点7的贡献是发现应力对锡烯薄膜拓扑性质有调制作用,其研究有助于更深入地理解衬底对锡烯薄膜拓扑性质的影响,支撑材料为附件7;对创新点8的贡献发现吸附原子能够调制双层Bi纳米带边界态,研究结果表明锯齿的双层Bi纳米带可作为制备纳米电子器件的优选对象,支撑材料为附件8。是代表性论文7的第一作者和论文8的合作作者。

4)姓名:赵健伟,排序:4/4,职称:教授,工作单位:南京大学,完成单位:南京大学。

赵健伟作为项目的参与人,利用第一性原理研究了石墨烯纳米电子器件的输运性质,对创新点5做了指导工作。其中对创新点5的贡献是发现系列分子导线的电导随长度的增加呈指数衰减,电子传递遵循隧穿机理。饱和烷烃的衰减因子最大,共轭全反式聚乙炔的最小,而且衰减因子与分子能隙存在定量关系,支撑材料为附件5。是代表性论文5的通讯作者。

七、完成人合作关系说明

20081月,临沂大学陈丽、刘洪梅、王东超与南京大学赵健伟,组成研究团队,针对Dirac费米子体系纳米结构的电子性质研究开展合作研究。刘洪梅于20059月至20106月在南京大学化学化工学院赵健伟教授课题组攻读博士学位,20107月回到临沂大学工作,继续参与本项目的研究。本团队先后与国内外专家进行合作研究,取得了一批高水平的研究成果。

1. 20086-200812月,20128-20144月,研究团队邀请美国犹他大学刘锋教授参与低维Dirac材料电子性质的研究项目,研究成果分别发表在《Nano Lett.》、《Phys. Rev. B》和《Appl. Phys. Lett.》上。

2. 20081-20115月,完成人陈丽等人共同开展石墨烯实验制备及第一性原理计算研究,研究成果发表在《Carbon》上。

3. 20081-20106月,完成人刘洪梅、赵健伟等人对碳基分子导线的电子输运性质开展合作研究,发现分子电导随长度的指数衰减因子与其能隙有关,研究成果发表在《ChemPhysChem》上。

4. 20122-20158月,完成人陈丽、刘洪梅、王东超等人对石墨烯纳米带的电子输运性质和拓扑绝缘体的性质开展合作研究,发现金属界面影响石墨烯导电性质、衬底和应力对锡烯薄膜拓扑性质有影响及吸附原子对双层Bi纳米带边界态调制机理,研究成果发表在《Phys. Rev. B》和《Phys. Chem. Chem. Phys.》上。