【摘 要】
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碳元素是地球上众多元素中最丰富的元素之一,同时也是人们最熟悉的元素之一。石墨和金刚石作为人类早期接触的碳同素异形体,在自然界中的储量非常丰富。随着人们对碳材料的深入研究,越来越多的碳同素异形体可以通过人工制备得到。这其中就包括:零维的富勒烯、一维的碳纳米管、二维的石墨烯以及三维的石墨烯网络。碳元素的轨道杂化方式多种多样,如:sp、sp2和sp3杂化,这使得不同轨道杂化方式的碳同素异形体所表现出来的
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碳元素是地球上众多元素中最丰富的元素之一,同时也是人们最熟悉的元素之一。石墨和金刚石作为人类早期接触的碳同素异形体,在自然界中的储量非常丰富。随着人们对碳材料的深入研究,越来越多的碳同素异形体可以通过人工制备得到。这其中就包括:零维的富勒烯、一维的碳纳米管、二维的石墨烯以及三维的石墨烯网络。碳元素的轨道杂化方式多种多样,如:sp、sp2和sp3杂化,这使得不同轨道杂化方式的碳同素异形体所表现出来的物理性质大相径庭。在碳同素异形体丰富多样的物理性质中,其拓扑性质是近几年人们研究的热点。与大部分具有强自旋轨道耦合效应的重元素拓扑材料不同的是,碳元素作为轻元素,其自旋轨道耦合效应极弱,甚至可以被忽略。因此,作为研究拓扑材料的候选者之一,碳材料中存在着许多新颖的拓扑性质等待着人们去挖掘。目前,各种基于低维碳同素异形体得到的三维碳网络相继被理论提出,这些三维碳网络为寻找和研究各种拓扑相提供了很好的平台。本论文重点对三维碳网络中的拓扑半金属性质进行了研究,论文主要分为以下五大部分:第一章我们介绍了碳材料的研究背景、拓扑理论的来源以及拓扑半金属的分类与研究现状。第二章我们介绍了研究工作中所使用的第一性原理计算的理论方法以及相关的理论计算方法。第三章我们提出了两类具有低对称性的三维碳网络结构（WSCN和DHCN）,这两类碳网络结构都由sp2杂化碳原子构成,且都缺少空间反演对称性。通过分析这两个结构的电子性质发现,这两类碳网络都属于拓扑外尔半金属,在它们第一布里渊区的费米能级附近都出现了四对具有相反手性的外尔点。当给结构施加应力时,这些外尔点的位置发生了移动,但不会被破坏,这很好地证明了外尔点的鲁棒性。随后,我们还分析了两个结构在[010]投影面上的表面态光谱。我们的发现为在碳网络中寻找并研究外尔点提供了一种可行的方法。第四章我们基于一维的锯齿型石墨烯纳米条带（ZGNR）提出了一种三维扭曲的锯齿型石墨烯网络（WZGN）。该碳网络是一种由sp2杂化碳原子构成的底心正交晶格（c-centered orthogonal lattice）的亚稳态结构。计算的电子能带结构表明,WZGN是一种拓扑狄拉克半金属,在其第一布里渊区ky=0的平面上存在一个受空间反演对称性和时间反演对称性保护的节点环。此外,我们还在其[010]投影面上发现了丰富的“鼓膜”型表面态。我们的工作提出了一种具有实际意义和价值的三维碳网络结构。第五章我们对所有的研究工作进行了总结,并对将来的工作进行了展望。
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