Promising 2D Carbon Allotropes with Intrinsic Bandgaps Based on Bilayer α‐Graphyne

石墨 材料科学 双层 碳纤维 纳米技术 复合材料 化学 石墨烯 生物化学 复合数
作者
Wentao Li
出处
期刊:Physica Status Solidi B-basic Solid State Physics [Wiley]
标识
DOI:10.1002/pssb.202400488
摘要

2D carbon allotropes with moderated electronic bandgaps are highly desirable for next‐generation carbon‐based nanoelectronics beyond graphene. Herein, the structural and electronic properties of bilayer α‐graphyne have been systematically investigated by using first‐principles calculations. Consequently, in addition to typical van der Waals (vdW) stacks of single‐layer α‐graphyne, new 2D carbon allotropes with purely sp 2 or sp 3 hybridizations can be achieved, arising from the absence of intralayer acetylene linkages during structural relaxation. Compared to the Dirac semimetallic behavior of monolayer α‐graphyne, the electronic structure of vdW bilayer α‐graphyne can be further modulated by stacking patterns, yet retains metallic characteristics. In contrast, intrinsic semiconducting characteristics can be observed in the proposed new 2D carbon allotropes with tunable bandgaps dependent on the in‐plane biaxial strain. Correspondingly, a pristine 2D carbon sheet with only sp 2 hybridization exhibits a promising direct bandgap of 1.062 eV, while the sp 3 ‐hybridized carbon network possesses an indirect bandgap of 1.708 eV, which can be further converted to the direct type under small compressive strains, implying great potential in future carbon‐based nanoelectronic applications beyond graphene. Also, this work provides a new approach for developing novel carbon allotropes via the vertical stacking of graphyne with acetylenic linkages.

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