摘要
碳是生命的基石，也是人类文明进步的重要元素。碳材料不仅历史悠久种类丰富，而且具有优异的物理性质和广阔的应用前景。在碳材料中，以石墨烯为代表的拓扑半金属因具有奇特的拓扑性质成为了当今的研究热点。作为一种轻元素，碳的自旋轨道耦合(SOC)很小甚至几乎可以忽略。但碳材料的电子结构和拓扑性质非常丰富，为拓扑性质的研究和新拓扑相的发现提供了良好的平台。本文采用密度泛函理论，以锯齿型碳链为基元直接或间接构建了两种稳定的三维碳同素异形体T-C20carbon和M-C12carbon，分析了两种结构的电子性质并探索了前者结构拓扑相来源于碳链。此外，我们还计算了结构的介电函数虚部和吸收系数，并分析了两种碳材料在光学方面的应用。通过这些研究，本文工作不仅为理论上构建拓扑碳材料和分析拓扑性质提供了新思路，也为未来实验中碳材料的合成提供了理论指导。 本文的主要研究内容如下： 1.利用碳二聚体连接一维的锯齿型碳链提出了一种新型三维碳同素异形体T-C20carbon，该碳结构是一种由sp2-sp3杂化碳原子构成的稳定结构。采用第一性原理计算方法得到的研究结果表明，它在热力学、动力学和弹性力学上都具有稳定性。由能带结构和态密度可知T-C20carbon是一种拓扑半金属材料，在布里渊区中有四条受镜面对称保护的节点线。通过将此结构拆分成两个二维子结构并研究其子结构的电子特性，得出它的拓扑特性主要来源于锯齿型碳链。此外，T-C20carbon存在光学各向异性并具有较强吸收能力，可用于宽光谱光电器件和太阳能光伏电池。此结构的提出不仅丰富了碳材料的种类，为设计三维拓扑碳同素异形体提供了新思路，而且也为宽光谱光电探测器增添了新候选材料。 2.受到以上工作启发，通过直接连接锯齿型碳链构建了一个稳定的全sp2杂化的新型碳同素异形体M-C12carbon。基于第一性原理方法，对M-C12carbon的稳定性、电子性质和光学性质进行了计算。声子谱和第一性原理分子动力学的计算结果表明M-C12carbon具有良好的稳定性。电子能带结构和分波态密度结果显示此结构在第一布里渊区中出现了四个对称的节点。此外，介电函数虚部和吸收系数计算结果表明M-C12carbon对红外光、可见光以及紫外光均具有较强的吸收，可用于宽光谱光电器件方面的应用。
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