研究背景：

受石墨烯獨特性能的影響，石墨化氮化碳材料獲得了人們越來越多的關注。尤其是g-c3n4在光電催化、水裂解、氣體吸附和傳感器領域進行了深入的研究。然而，作為g-c3n4的對應物g-c4n3具有相同的空間結構、晶格常數以及高帶隙的特點，但是在電子結構、光學性質和鐵磁性方面卻沒有系統的研究。前人研究得到單環三嗪結構的g-c4n3(命名為g-s-c4n3)具有半金屬的鐵磁性，那么是否存在三環庚嗪結構的g-c4n3（命名為g-t-c4n3）？還像g-s-c4n3具有FM嗎？與g-s-c4n3相比，g-t-c4n3具有哪些物理特性呢？

研究成果:

北京大學工程學院的Xiaowei Li和Qian Wang等教授通過**原理計算得出，g-t-c4n3比g-s-c4n3具有更穩定性、更彈性和各向同性。g-t-c4n3是一個無鐵磁性的氮化碳材料，但是對其施加4%的拉伸應變使，具有鐵磁性的半金屬性質，同時，調節不同比例的拉伸應變可以調節光吸收光譜，得出g-t-c4n3具有光學吸收峰大、吸收強度高的特點。研究成果以“Stability and physicalproperties of a tri-ring based porous g-C 4 N 3 sheet”發表在PhysicalChemistry Chemical Physics 期刊上。

圖文解讀：

圖1由三環庚嗪組成g-t- c4n3層的幾何結構。單元格由一個虛線菱形標記。

g-t- c4n3片由三環庚嗪單元和sp2雜化C原子組成，如圖1所示。晶格常數為7.17A，大于g-c3n4 (7.08 A)。為了研究能量,我們計算了兩種結構的總能量g-s- c4n3和g-t- c4n3,,發現前者比后者更高能量的0.043 eV /原子,表明g-t- c4n3在能量上比g-s- c4n3更穩定。

圖2 g-t- c4n3在300k通過**分子動力方法模擬的總能量(a)和溫度(b)波動。

**原理分子動力學模擬在室溫(300k)下進行，總能量和溫度波動隨時間1fs的變化。如圖2所示，這證實了三環基g-t- c4n3結構的動態穩定性。

圖3 （a）（b）分別為無拉伸應變g-t- c4n3的能帶結構和PSOS圖譜。（c）（d分別為4%拉伸應變g-t- c4n3的能帶結構和PSOS圖譜。插圖中標出的箭頭分別是導帶和價帶的部分電荷密度。

在（a）圖的費米能級附近有一些平坦的能帶。價帶**(VBM)主要由C原子的Pz軌道和N原子的PxPy, Pz軌道貢獻的,而導帶**(CBM)是由N原子的Px和Py軌道所貢獻。當對g-t- c4n3施加4%的拉伸應變時，C和N原子的自旋向上的P軌道向下移動，而自旋向下的P軌道向上移動。此時g-t- c4n3變為具有鐵磁性的半金屬性質，對應的能帶結構和PDOS圖如（c）（d）所示。（c）的費米能級附近存在兩個自旋分裂能帶，它們主要是有C和N 原子的Pz軌道和N原子的Px和Py軌道貢獻。由于HSE06在預測固體帶隙方面更為準確，因此，由HSE06測得無拉伸應變的g-t- c4n3是一個非磁性的半導體，且具有0.7eV的帶隙。當施加4%的拉伸應變時，g-t- c4n3是一個具有鐵磁性的半金屬性質的氮化碳材料，且具有大約為34 m eV。

圖4在0 ~ 5ev能量范圍內，計算出無拉伸應變（a）、2%拉伸應變（b）和4%拉伸應變（c）g-t- c4n3的介電函數圖譜。

在自由態下，新結構具有較強的吸收峰和吸收強度，如圖4a。峰1和峰2位于紅外范圍(＜1.0 eV)，主要由N原子的Px和Py軌道由VBM到CBM的光學躍遷所導致，而峰3和峰4在可見光范圍（2-4eV），主要由C和N原子的Pz軌道到下一個導帶的躍遷所引起。g-t- c4n3**的吸光能力源于其在費米能級附近的電子帶色散**平坦。在2%的拉伸應變下，g-t- c4n3的峰1、3和4有略微的下降，而其峰2幾乎沒有改變。在4%的拉伸應變下，由于能帶分裂，3峰減弱，4峰增強，導致3.3 eV左右的吸附峰更強。從以上討論我們可以得出應變不僅可以引起鐵磁性，而且可以調諧光吸收光譜。

結論：

綜上所述，根據**性原理的計算，我們預測了一種由三環七嗪單元組成的g- c4n3的新結構，即g-t- c4n3，與之前提出的由單環三嗪單元組成的g-s-c4n3結構相比，它具有更加穩定性、更彈性和各向同性，雖然這種新結構是非磁性的，但是在4%的拉伸應變就能產生每晶格為2μb的磁矩同時能調節光學吸收圖譜。我們的研究將為更好地理解基于g- c4n3的二維多孔板提供一些新的見解，并將鼓勵在合成和應用方面的新的實驗努力。

文獻鏈接：

Xiaowei Li, Shunhong Zhang and QianWang*

Stability and physical properties of atri-ring based porousg- c4n3 sheet

Physical Chemistry Chemical Physics ( IF 3.567 ) 、2013年第19期

https://doi.org/10.1039/C3CP44660C

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