“天河”系列超级计算机应用成果报道--低维纳米功能材料研究

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低维纳米功能材料是多种新奇物理现象和物理问题的载体，是电子器件实现纳米化和量子化的基础和核心，是学术界和工业界的重要研究方向。由于低维带来的量子尺寸效应，传统的理论与技术已不再适用于低维材料，需要基于量子力学的理论计算进行深入研究。

中国科学院物理研究所杜世萱研究员课题组基于天河系列超级计算机资源，取得了一系列研究成果，2020年共发表致谢中心的论文11篇，内容包括新型二维材料的生长机制及物性调控研究。本文以其中两个典型的工作为例，对应用成果进行解读。

一、具有纯热结构相变，大气环境稳定的单层Cu2Se薄膜

具有结构相变性质的材料具有丰富的物理和化学性质，可满足于多种应用。三维材料的纯热相变在物理学中是最基本的并且易于诱导。在二维材料中，结构转变主要由应变、激光、电子注入、电子/离子束、化学计量的热损失、化学处理或这些方法与退火的结合引起。然而，至今为止，保持化学计量比的纯热可逆相变在二维材料尚未见报道。

该课题组的实验合作者利用分子束外延在双层石墨烯上制备了大面积、高质量的单层Cu2Se，并发现其存在纯热结构相变。通过扫描隧道显微镜（STM）和密度泛函理论（DFT）计算确定了该材料78K和300K的两个结构相，如图1所示。

图1 78K和300K时，单层Cu2Se的STM图和原子结构图

角分辨光电子能谱结合DFT计算揭示了两个相能带结构的变化，如图2所示，根据低能电子衍射谱随温度的演变，证明了两个结构之间的相变是可逆的，并且可以发生在整个样品上。此外，Cu2Se单层膜在空气中稳定，使得这种具有纯热相变的材料在温度传感器领域具有极大潜力。进一步的理论计算也提出了这一热结构相变的可能机制，为寻找具有纯热结构相变的二维材料提供了参考。

图2 78K和300K时，Cu2Se样品的ARPES和DFT能带结构

二、Au(111)表面上功能分子FeF20TPP的手性自组装和立体选择性内环化反应

对于高对称性分子，根据等概率原则，结构对称的反应物分子，其不同手性产物的产率相同。因此，在化学反应中如何提升具有特定结构和对称性的产物的产率一直是一个重要的课题。1919年，Volkmar Kohlschütter提出在某些固态反应中，化学反应的产物可能依赖于固定在空间中的反应物的相对排列，并称之为“拓扑化学”，其特征是产物受限于反应物之间的排列方式。因此，在反应发生之前反应物的规律排列，例如固体表面上的分子有序组装，在二维体系的化学反应中发挥着重要作用。

该课题组的陶蕾博士与中科院物理所N04组陈辉博士等人合作，研究了具有四重旋转对称性的分子氟代四苯基卟啉铁（Fe-TPPF）在表面上具有高立体选择性的环化反应机制，发现分子间相互作用导致的空间位阻能够大幅提升产物选择性。实验上，FeTPPF在Au(111)表面环化反应能产生选择性高达90%的具有C4对称性的前手性产物，而非氟化的四苯基卟啉铁的环化反应却没有这种现象。通过调节反应前产物在表面上的覆盖度以及反应的升温速率，可以对产物的选择性进行调控，理论计算发现，当考虑反应物分子与近邻分子间的相互作用时，形成前手性产物的路径的能量，比生成其他同分异构体的产物的能量更低，与实验结果相符合。

图3 氟代四苯基卟啉铁（Fe-TPPF）在Au（111）表面上发生环化反应，对高对称性产物4有高达90%的选择性

图4 环化反应过程中，生成高对称性产物5的路径能量最低

中科院物理所杜世萱研究员课题组取得的一系列应用成果得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、中国科学院重点研究等项目资助。该课题组近几年发表的多篇论文的计算工作都得到了国家超级计算天津中心的大力支持。