三維狄拉克半金屬的超導特性

石墨烯（Graphene）是具有蜂窩狀原子結構和單層原子厚度的二維碳材料。它的發現不僅打破了長久以來二維晶體無法在自然界中穩定存在的預言，其自身的優異性質也使得石墨烯在基礎和應用研究中都極具潛力。尤其是狄拉克錐（Dirac cone）的存在賦予了石墨烯許多新奇的物理現象和電子性質，例如半整數、分數和分形量子霍爾效應，超高遷移率等。
石墨烯的研究打開了發掘更多二維材料的大門。到目前為止，已有上百種二維材料被人們所發現，這包括了第四主族單質，第三和第五主族構成的二元化合物，金屬硫族化合物，復合氧化物，等等。但這其中只有石墨烯、硅烯（Silicene）、鍺烯（Germanene）、部分石墨炔（Graphynes）、以及其他少量體系被認為可能具有狄拉克錐。而且，只有石墨烯中的狄拉克錐真正地被實驗所證實。那么，為什么二維狄拉克材料如此稀少？這類材料具有怎樣的結構特征和性質？如何尋找和設計新的狄拉克體系呢？
    圍繞這些問題，北京大學化學與分子工程學院的王進瑩博士、鄧時濱博士、劉忠范院士和劉志榮副教授共同撰寫了綜述文章“稀有的二維狄拉克材料”并發表在《國家科學評論》2015年第1期（http://nsr.oxfordjournals.org/content/2/1/22.full）。該文綜述了多種二維狄拉克材料的最新理論研究進展，如石墨烯、硅烯、鍺烯、石墨炔、數種硼片和碳片、過渡金屬氧化物(VO2)n/(TiO2)m和(CrO2)n/(TiO2)m、有機和有機金屬晶體、so-MoS2、和人造晶格（電子氣和冷原子）等。文中重點介紹了這些二維狄拉克材料的結構和電子性質，闡述了狄拉克點的產生、移動和消失過程，并采用相關理論解釋了二維狄拉克體系的稀少性，提出了狄拉克錐的存在對體系的對稱性、參數、費米能級和能帶耦合的嚴格限制，為尋找新型二維狄拉克材料提供了方向。
近年來劉忠范院士和劉志榮課題組就石墨烯等納米材料的理論研究展開廣泛合作，深入探索該類材料的能帶調控、電子輸運性質、和化學反應等問題。劉忠范課題組發展了系列控制生長和化學修飾石墨烯的方法，實現了對石墨烯電子性質的部分調控。例如，他們采用化學氣相沉積法結合多種物質源，設計制備出氮摻、硼摻、和氮化硼雜化石墨烯；通過化學反應實現了對石墨烯的共價修飾，發展了光催化剪紙技術、光氯化加成法、光致甲基化、和非對稱共價修飾等方法。在實驗研究基礎上，劉志榮課題組采用第一性原理計算、緊束縛模型等工具從理論上系統研究了石墨烯等相關納米材料的電子性質。他們探索了量子限域、機械應力、化學修飾、和區域雜化等方法對石墨烯能帶結構和電子輸運性質的調控，闡明了帶隙調控和遷移率變化的內在關聯，提出了氮化硼雜化石墨烯可能是同時具有非零帶隙和高遷移率（可達105 ?106 cm2 V-1 s-1）的材料。此外，他們還深入研究了石墨炔、四方碳等其他二維碳材料，發現了狄拉克錐的存在與晶格對稱性的密切關系，并設計出系列新型二維狄拉克材料。
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