Graphene+中的新型半负泊松比效应

中国历史上四大书院之岳麓书院（@湖南大学）起始至公元976年，在graphene+的守护下，应用负泊松比效应带来的先进减震防护技术，抵挡天外袭击并保护古建筑，成为中原大地上传承千年的门派。（感谢湖南大学陈艾伶与詹雨齐同学对宣传图像制作提供的帮助）

【摘要】

本征负泊松比传统上被分为四类，该工作报道了第五类负泊松比行为，即面外半负泊松比(out-of-plane NPR)。这种负泊松比能够映射到具有sp²–sp³杂化的新型二维碳网络，grapheneplus (graphene+)。此外，graphene+还具有稳健的狄拉克性质。凭借出色的电子和机械性能，graphene+可用作设计和制造具有负泊松比效应和狄拉克特性的先进多功能平台，促进拉胀材料家族的进一步蓬勃发展，和电子器件的新应用。

【引言】

碳材料一直是材料科学、凝聚态物理和热管理相关领域的热点。例如，金刚石作为典型的三维碳材料，具有自然界最高的硬度和超高热导率。此外，石墨烯作为典型的二维碳材料，具有狄拉克锥和超高热导率。迄今为止，Samara Carbon Allotrope Database已记录了522个三维碳同素异形体，并发表460余篇关于碳材料结构的研究论文，这展示了碳材料的关键作用和重要影响。

二维材料的稳定性一直存在争议，直到 2004年成功制备石墨烯。石墨烯具有许多非凡性能和新奇现象，如超高载流子浓度和量子霍尔效应，这些非凡的特性主要起源于其特殊的电子能带结构。石墨烯中导带和价带之间线性接触，形成狄拉克锥。因此，寻找具有狄拉克特性的新型二维材料引起了广泛的研究兴趣，有望具有出色的物理特性。

在实际应用中，力学性能至关重要，特别是对于拉胀材料中的负泊松比效应。负泊松比意味着材料在拉伸（压缩）时同时横向膨胀（收缩）。负泊松比效应可以增强材料的韧性和振动吸收性能。因此，负泊松比效应有利于电子器件的减震防护，提升其工作稳定性和工作寿命。此外，拉胀材料在紧固件、生物假体、航空航天、国防等方面也有很多潜在的重要应用。根据前期的研究结果，本征负泊松比效应可以分为四种：

（1）平面内负泊松比，只存在于x–y平面；

（2）平面外负泊松比，仅存在于±z方向；

（3）双向负泊松比，在 x-y 平面和 ±z 方向上都存在;

（4）平面内半负泊松比，无论是拉伸还是压缩，材料都会横向膨胀，即只有拉伸的时候表现出负泊松比效应。

在此基础上，是否存在第五类负泊松比效应？ 

【成果简介】

近日，湖南大学的余林凤（第一作者）、郑雄（第四作者）、秦光照（通讯作者）和郑州大学的秦真真（第二作者）、湘潭大学的王慧敏（第三作者）合作开展研究，基于第一性原理计算，设计了一种新型二维sp²–sp³碳同素异形体，即grapheneplus（graphene+）。研究表明，graphene+比五角石墨烯（penta-graphene）在能量上更稳定，表明它在实验中更容易合成。 在物理性质上，graphene+不仅继承了石墨烯的狄拉克特性，同时也继承了五角石墨烯的负泊松比（NPR）特性。此外，无论施加单轴/双轴应变和电场，形成节点环的狄拉克节点都可以保持稳定的表现。对于其负泊松效应，研究发现graphene+中的NPR只有在拉伸时才会沿面外方向表现出来，即面外的半泊松比（out-of-plane NPR）。本征负泊松比传统上被分为四类，该工作报道的面外半负泊松比(out-of-plane NPR)为第五类。该工作通过结构和电子结构的耦合设计，实现了一种新型二维碳同素异形体，并在其中发现了一种全新的负泊松比效应(out-of-plane NPR)，拓展了人们对负泊松比行为的了解。

该工作于近日在线发表于全球著名Cell出版社旗下新晋高水平期刊《Cell Reports Physical Science》 Cell Reports Physical Science 3, 100790 (2022)

【图文导读】

图1. 二维材料中泊松比行为的示意图。

材料的本征泊松比行为可分为正（PPR）和负（NPR）泊松比。其中本征负泊松比行为又可以分为面内的负泊松比（in-plane NPR），面外的负泊松比（out-of-plane NPR），双向的负泊松比（bidirectional NPR），面内的半泊松比（in-plane half-NPR）。该工作报道了一种新的负泊松比行为，即面外的半泊松比（Out-of-plane half-NPR）。

图2. Graphene+的几何结构和稳定性验证。

与石墨烯不同，Graphene+具有sp²–sp³杂化的二维碳网络。声子色散没有虚频表明动力学稳定性；室温下AIMD模拟证实了热学稳定性；能量上Graphene+低于五角石墨烯，甚至比已经在实验上合成的T-carbon更低。这些证据表明graphene+具有良好的稳定性，有望被实验合成。

图3. 面外半负泊松比行为的演化。

无论Graphene+是被拉伸还是被压缩，它在面外方向上都膨胀，这表明graphene+在拉伸的时候才表现出负泊松比行为，这与先前报道的负泊松比行为不同。在graphene+中，负泊松比的出现能够归因于三种几何模式的竞争：（1）键角(BA)模式，仅键角变化（Δθ≠0，Δl=0），（2）键长(BL)模式，仅键长变化（Δθ=0，Δl≠0）, (3) 原子偏移 (AO) 模式，其中只有 sp³ 碳原子发生位移 (d≠0)。研究表明，AO 和 BL 模式主导了负泊松比的出现。

图4. Graphene+的电子狄拉克性质（Dirac nodal loop）

与石墨烯类似，Graphene+也具有狄拉克性质。然而与石墨烯不同的是，graphene+中的两个具有近似圆形横截面的独立带交叉形成具有环状分布的狄拉克节点，即狄拉克节点环（Dirac nodal loop），主要由p_z轨道贡献。无论施加单轴/双轴应变和电场，狄拉克节点环都保持稳定存在，表明其狄拉克特性驱动的优良性能不受外界机械力场和电场的干扰。

【参考文献】

Linfeng Yu, Zhen zhen Qin, Huimin Wang, Xiong Zheng, and Guangzhao Qin^*, Half-negative Poisson’s ratio in graphene+ with intrinsic Dirac nodal loop, Cell Reports Physical Science 3, 100790 (2022)