二维金属-有机框架结构材料TM-Pc的电子结构的理论研究开题报告

1. 研究目的与意义

研究背景：二维材料是目前凝聚态物理及材料科学领域的一个非常重要且热门的研究方向，二维材料可以表现出许多新奇的物理特性，例如具有线性狄拉克能带色散关系的石墨烯（graphene）、具有新奇能谷霍尔效应的二维过渡金属硫化物（tmd）、具有铁磁性的二维铁磁绝缘体mx₃等等。最近，研究者发现除了二维无机材料外，还有一类二维材料是由金属原子和有机分子配体基团结合构成的，这类材料一般被称为二维金属-有机框架结构材料。二维金属-有机材料存在丰富的晶格结构类型，例如二维六角蜂窝状晶格（honeycomb）金属-有机材料、二维kagome晶格金属-有机材料、二维三角晶格（triangular）金属-有机材料等等。和二维无机材料类似，二维金属-有机材料也具有许多新奇的物理特性，具有重要的研究价值，例如新奇电子结构特性、拓扑特性、催化特性等等。最近，研究者发现过渡金属原子（tm）和有机分子配体phthalocyanine（pc）可以形成单层的平面晶格结构，即二维金属-有机框架结构材料tm-pc,在这类材料体系中，过渡金属原子形成的是二维四方晶格结构，其具有重要的理论研究价值。本课题主要通过基于密度泛函理论的第一性原理计算方法研二维四方晶格金属-有机材料tm-pc的电子结构特性,为实验研究和应用提供理论指导。

研究目的：了解密度泛函理论的基本知识，通过第一性原理方法计算本征单层二维金属有机框架结构材料tm-pc的晶格结构、磁性、电子结构等性质，分析不同种类的tm-pc材料电子结构的特点和区别，研究外加手段对tm-pc材料的电子结构的调控效应。

2. 研究内容和预期目标

研究内容：

首先，建立由过渡金属原子tm（例如，4d、5d过渡金属原子等）和有机分子配体phthalocyanine（pc）构成的单层二维金属有机框架结构材料tm-pc的原子结构模型，然后，利用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法研究所构建的若干种不同类型的tm-pc材料的电子结构特性，包括晶格结构、磁性、能带结构等，得出本征单层金属-有机材料tm-pc的性质；比较由不同过渡金属原子所构成的tm-pc材料的电子结构的差异，并通过外加手段调控金属-有机材料tm-pc的电子结构特性。

3. 研究的方法与步骤

研究方法：

（1）复习量子力学和固体物理学，了解密度泛函理论基本知识。

（2）利用vesta软件建立相应的由过渡金属原子tm（如：4d、5d过渡金属原子等）和有机分子配体phthalocyanine（pc）构成的单层二维金属有机框架结构材料tm-pc的原子结构模型。

4. 参考文献

[1]wangzf,su n, andliu f, prediction of a two-dimensional organic topological insulator[j]. nano letters,2013,13:2842-2845.

[2]wangp,jiang x,huj, huang x m, and zhaoj j, giant magnetic anisotropy of a 5d transition metal decorated two-dimensional polyphthalocyanine framework[j].journalofmaterialschemistryc,2016,4:2147-2154.

[3]zhanglz,wang zf,huangb, cui b, wang z m, du s x, gao h j, and liu f, intrinsic two-dimensional organic topological insulators in metal-dicyanoanthracene lattices[j]. nano letters,2016,16:2072-2075.

5. 计划与进度安排

(1) 2022-12-06～2022-03-01学生复习量子力学和固体物理等基础课程，学习密度泛函理论的基本知识；

(2) 2022-03-02～2022-03-08调研有关二维金属-有机框架结构材料的相关文献资料，提出研究方案，完成开题报告，教师完成开题报告的审核。

(3) 2022-03-09～2022-04-10学习晶体模型的建立方法；学习第一性原理计算软件包vasp的使用方法；用第一性原理方法计算本征二维金属-有机框架结构材料tm-pc的电子结构性质，包括，晶格结构、磁性、能带结构等。