研究背景：

受石墨烯独特性能的影响，石墨化氮化碳材料获得了人们越来越多的关注。尤其是g-c3n4在光电催化、水裂解、气体吸附和传感器领域进行了深入的研究。然而，作为g-c3n4的对应物g-c4n3具有相同的空间结构、晶格常数以及高带隙的特点，但是在电子结构、光学性质和铁磁性方面却没有系统的研究。前人研究得到单环三嗪结构的g-c4n3(命名为g-s-c4n3)具有半金属的铁磁性，那么是否存在三环庚嗪结构的g-c4n3（命名为g-t-c4n3）？还像g-s-c4n3具有FM吗？与g-s-c4n3相比，g-t-c4n3具有哪些物理特性呢？

研究成果:

北京大学工程学院的Xiaowei Li和Qian Wang等教授通过**原理计算得出，g-t-c4n3比g-s-c4n3具有更稳定性、更弹性和各向同性。g-t-c4n3是一个无铁磁性的氮化碳材料，但是对其施加4%的拉伸应变使，具有铁磁性的半金属性质，同时，调节不同比例的拉伸应变可以调节光吸收光谱，得出g-t-c4n3具有光学吸收峰大、吸收强度高的特点。研究成果以“Stability and physicalproperties of a tri-ring based porous g-C 4 N 3 sheet”发表在PhysicalChemistry Chemical Physics 期刊上。

图文解读：

图1由三环庚嗪组成g-t- c4n3层的几何结构。单元格由一个虚线菱形标记。

g-t- c4n3片由三环庚嗪单元和sp2杂化C原子组成，如图1所示。晶格常数为7.17A，大于g-c3n4 (7.08 A)。为了研究能量,我们计算了两种结构的总能量g-s- c4n3和g-t- c4n3,,发现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更稳定。

图2 g-t- c4n3在300k通过**分子动力方法模拟的总能量(a)和温度(b)波动。

**原理分子动力学模拟在室温(300k)下进行，总能量和温度波动随时间1fs的变化。如图2所示，这证实了三环基g-t- c4n3结构的动态稳定性。

图3 （a）（b）分别为无拉伸应变g-t- c4n3的能带结构和PSOS图谱。（c）（d分别为4%拉伸应变g-t- c4n3的能带结构和PSOS图谱。插图中标出的箭头分别是导带和价带的部分电荷密度。

在（a）图的费米能级附近有一些平坦的能带。价带**(VBM)主要由C原子的Pz轨道和N原子的PxPy, Pz轨道贡献的,而导带**(CBM)是由N原子的Px和Py轨道所贡献。当对g-t- c4n3施加4%的拉伸应变时，C和N原子的自旋向上的P轨道向下移动，而自旋向下的P轨道向上移动。此时g-t- c4n3变为具有铁磁性的半金属性质，对应的能带结构和PDOS图如（c）（d）所示。（c）的费米能级附近存在两个自旋分裂能带，它们主要是有C和N 原子的Pz轨道和N原子的Px和Py轨道贡献。由于HSE06在预测固体带隙方面更为准确，因此，由HSE06测得无拉伸应变的g-t- c4n3是一个非磁性的半导体，且具有0.7eV的带隙。当施加4%的拉伸应变时，g-t- c4n3是一个具有铁磁性的半金属性质的氮化碳材料，且具有大约为34 m eV。

图4在0 ~ 5ev能量范围内，计算出无拉伸应变（a）、2%拉伸应变（b）和4%拉伸应变（c）g-t- c4n3的介电函数图谱。

在自由态下，新结构具有较强的吸收峰和吸收强度，如图4a。峰1和峰2位于红外范围(＜1.0 eV)，主要由N原子的Px和Py轨道由VBM到CBM的光学跃迁所导致，而峰3和峰4在可见光范围（2-4eV），主要由C和N原子的Pz轨道到下一个导带的跃迁所引起。g-t- c4n3**的吸光能力源于其在费米能级附近的电子带色散**平坦。在2%的拉伸应变下，g-t- c4n3的峰1、3和4有略微的下降，而其峰2几乎没有改变。在4%的拉伸应变下，由于能带分裂，3峰减弱，4峰增强，导致3.3 eV左右的吸附峰更强。从以上讨论我们可以得出应变不仅可以引起铁磁性，而且可以调谐光吸收光谱。

结论：

综上所述，根据**性原理的计算，我们预测了一种由三环七嗪单元组成的g- c4n3的新结构，即g-t- c4n3，与之前提出的由单环三嗪单元组成的g-s-c4n3结构相比，它具有更加稳定性、更弹性和各向同性，虽然这种新结构是非磁性的，但是在4%的拉伸应变就能产生每晶格为2μb的磁矩同时能调节光学吸收图谱。我们的研究将为更好地理解基于g- c4n3的二维多孔板提供一些新的见解，并将鼓励在合成和应用方面的新的实验努力。

文献链接：

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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