近日，吉林大学超硬材料国家重点实验室在“表面重构的模拟新方法与金刚石表面的自组装碳纳米管阵列”研究方面取得重要进展，该研究成果发表在2014年4月16日出版的《自然—通讯》期刊上。研究工作得到了国家自然科学基金委杰出青年基金、面上和重点基金，科技部973计划，教育部长江学者研究计划的支持。

 

该研究成果由吉林大学鲁少华博士、王彦超讲师、刘寒雨博士、马琰铭教授与北京计算科学中心/美国加州大学的苗茂生博士合作完成。研究发展了表面重构的模拟新方法，发现金刚石表面形成了自组装碳纳米管阵列。研究提出表面不仅可以用作衬底来集成器件，而且其重构体可以作为功能器件的一个重要部分。研究有望实现将金刚石与碳纳米管的有机结合，为发展金刚石基半导体器件提出了新思路。

 

课题组利用多目标群智优化算法，引入表面二维空间群对结构的限制和电子记数规则，发展了全局表面重构的模拟新方法，能够智能开展（无需依赖任何已知表面的结构）表面重构的结构搜索。鲁少华和王彦超将该方法编制为程序模块集成于马琰铭课题组自主发展的卡里普索（CALYPSO）结构预测软件包 (CALYPSO结构预测方法和软件是国际结构预测领域的主流方法和软件，目前已被30个国家和地区的600余位用户使用，见http://www.calypso.cn/)。

 

课题组将最新发展的CALYPSO全局表面结构预测方法应用于金刚石(100)表面，意外发现了一类新奇的自组装碳纳米管阵列的表面重构（如图），类似于有序排列的碳纳米管通过强共价键镶嵌在金刚石的(100)表面上。常规条件下，自组装碳纳米管阵列的表面结构与传统的二聚体表面结构的能量极其相近，但在高温或者压应力的外界条件下，碳纳米管阵列表面的能量更加稳定。碳纳米管阵列结构兼具金刚石高导热性和碳纳米管高载流子迁移率的特点，同时具有高的热稳定性，可自组装。（来源：吉林大学超硬材料国家重点实验室）