石墨烯与六方氮化硼导电性差异的理论研究

doi:10.3866/PKU.DXHX202307033

大学化学 >> 2024, Vol. 39 >> Issue (1): 364-368.doi: 10.3866/PKU.DXHX202307033

石墨烯与六方氮化硼导电性差异的理论研究

李晓艳, 刘晴, 钟雨芙, 罗培研, 曾艳丽()

河北师范大学化学与材料科学学院, 石家庄 050024

收稿日期:2023-07-12 录用日期:2023-08-31 发布日期:2023-10-09
通讯作者: 曾艳丽 E-mail:yanlizeng@hebtu.edu.cn
基金资助:
国家级一流本科课程“结构化学”建设项目(2020年度);河北省高等教育教学改革研究与实践项目(2022GJJG139);国家自然科学基金(21973027)

Theoretical Study on the Conductivity Differences between Graphene and Hexagonal Boron Nitride

Xiaoyan Li, Qing Liu, Yufu Zhong, Peiyan Luo, Yanli Zeng()

College of Chemistry and Materials Science, Hebei Normal University, Shijiazhuang 050024, China

Received:2023-07-12 Accepted:2023-08-31 Published:2023-10-09
Contact: Yanli Zeng E-mail:yanlizeng@hebtu.edu.cn

摘要/Abstract

摘要：

石墨烯和六方氮化硼(h-BN)属于等电子体。二者具有类似的结构，但导电性能截然不同。石墨烯具有良好的导电性能，但h-BN是电绝缘体。本文基于量子化学计算，通过自然键轨道分析、电子密度拓扑分析、核独立化学位移(NICS)和磁感应电流密度(AICD)等方法对模型分子C₂₄H₁₂及B₁₂N₁₂H₁₂的电子结构进行了分析，对石墨烯和h-BN导电性差异进行了理论解释。研究结果有助于加深学生对等电子体、定域、离域π键等基本概念的理解。

关键词: 石墨烯, 六方氮化硼, 导电性

Abstract:

Graphene and hexagonal boron nitride (h-BN) are isoelectronic materials. Depite their similar structures, they exhibit stark differences in electrical conductivities. Graphene is an excellent conductivity, while h-BN is an insulator. Based on the quantum chemistry calculations, the electronic structures of model molecules, C₂₄H₁₂ and B₁₂N₁₂H₁₂, have been studied by the topological analysis of electron density, natural bond orbital analysis, nucleus-independent chemical shift, and magnetic induced current density analysis. The study provides theoretical explanations for the conductivity differences between graphene and h-BN. These findings can enhance students' understanding of the fundametal concepts such as isoelectronic species, localization and delocalized π bond.

Key words: Graphene, Hexagonal boron nitride, Electrical conductivity

李晓艳, 刘晴, 钟雨芙, 罗培研, 曾艳丽. 石墨烯与六方氮化硼导电性差异的理论研究[J]. 大学化学, 2024, 39(1): 364-368.

Xiaoyan Li, Qing Liu, Yufu Zhong, Peiyan Luo, Yanli Zeng. Theoretical Study on the Conductivity Differences between Graphene and Hexagonal Boron Nitride[J]. University Chemistry, 2024, 39(1): 364-368.

链接本文: https://www.dxhx.pku.edu.cn/CN/10.3866/PKU.DXHX202307033

https://www.dxhx.pku.edu.cn/CN/Y2024/V39/I1/364

图/表 6

图1

表1

图2

表2

图3

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参考文献 20

1	人民教育出版社. 高中化学选修3: 物质结构与性质, 北京: 人民教育出版社, 2007.
2	刘长庚. 中学教学参考, 2012, (17),89.
3	Novoselov K. S. ; Geim A. K. ; Morozov S. V. ; Jing D. ; Zhang Y. ; Dubonous S. V. ; Grigorieva I. V. ; Firsov A. A. Science 2004, 306, 666. doi: 10.1126/science.1102896
4	Geim A. K. ; Novoselov K. S. Nat. Mater. 2007, 6, 183. doi: 10.1038/nmat1849
5	来常伟; 孙莹; 杨洪. 化学学报, 2013, 71, 1201.
6	Wang H. ; Zhao Y. ; Xie Y. ; Ma X. J. Semiconducts 2017, 38, 031003. doi: 10.1088/1674-4926/38/3/031003
7	齐越; 王俊强; 朱泽华; 武晨阳; 李孟委. 人工晶体学报, 2022, 51, 620.
8	万红兵. 六方氮化硼——石墨烯复合材料的制备及导热性能研究[硕士学位论文], 重庆: 重庆师范大学, 2016.
9	武海顺; 贾建峰. 结构化学, 2004, 23, 580.
10	Anota E. C. ; Cocoletzi H. H. J. Mol. Model. 2012, 18, 591. doi: 10.1007/s00894-011-1043-2
11	Frisch, M. J.; Trucks, G. W.; Schlegel, H. B.; Scuseria, G. E.; Robb, M. A.; Cheeseman, J. R.; Scalmani, G.; Barone, V.; Mennucci, B.; Petersson, G. A.; et al. Gaussian 16, Revision C. 01; Gaussian, Inc. : Wallingford, CT, USA, 2019.
12	Keith, T. A. AIMALL; Version 13.02.26; TK Gristmill Software: Overland Park, KS, USA, 2012.
13	Lu T. ; Chen F. J. Comput. Chem. 2012, 33, 580. doi: 10.1002/jcc.22885
14	Becke A. D. ; Edgecombe K. E. J. Chem. Phys. 1990, 92, 5397. doi: 10.1063/1.458517
15	Bader R. F. Atoms in Molecules: A Quantum Theory Oxford, UK: Oxford University Press, 1994.
16	Matta, C. F.; Boyd, R. J. The Quantum Theory of Atoms in Molecules: From Solid State to DNA and Drug Design; Wiley-Vch: Weinheim, Germany, 2007.
17	Schleyer P. R. ; Manoharan M. ; Wang Z. X. ; Kiran B. ; Jiao H. J. ; Puchta R. ; Hommes N. Org. Lett. 2001, 3, 2465.
18	Sun H. ; An K. ; Zhu J. Chem. Asian J. 2016, 11, 234.
19	Geuenich D. ; Hess K. ; Köhler F. ; Herges R. Chem. Rev. 2005, 105, 3758.
20	Herges R. ; Geuenich D. J. Phys. Chem. A 2001, 105, 3214.

分子	HOMO轨道图	HOMO轨道能级	LUMO轨道图	LUMO轨道能级
C₂₄H₁₂		−0.2118 a.u.		−0.0645 a.u.
B₁₂N₁₂H₁₂		−0.2594 a.u.		−0.0154 a.u.

分子	V	DI	LI	NICS(0)	NICS(1)_zz
C₂₄H₁₂	2.60e (C1: 1.30e; C2: 1.30e)	1.39	1.33	−4.39	−16.7
B₁₂N₁₂H₁₂	2.64e (B: 0.29e; N: 2.35e)	0.54	1.80	−0.53	0.66

[1]	蔡静宇, 苗晓雨, 赵玉来, 肖龙强. FeOOH-RGO气凝胶光催化苯制备苯酚探索性教学实验设计[J]. 大学化学, 2024, 39(4): 169 -177 .
[2]	周桢林, 陈思元, 刘仪, 胡成国, 赵发琼. 基于激光雕刻石墨烯电极的伏安法实验教学新方案[J]. 大学化学, 2024, 39(2): 358 -370 .
[3]	王楠, 王芹, 王宏, 陈芳, 刘敏, 朱丽华. 石墨烯的绿色制备、表征及典型应用综合型实验[J]. 大学化学, 2023, 38(9): 218 -226 .
[4]	顾泽宇, 张昕, 胥文静, 王洪淇, 王婷, 孙佳垚, 刘洪胜, 邓进军. 混凝-絮凝沉淀处理石墨烯废水工艺研究在实验教学中的设计与探索[J]. 大学化学, 2023, 38(8): 118 -127 .
[5]	奚江波, 孙琦, 王刚, 陈伟. 氮掺杂多孔石墨烯对硝基和偶氮化合物的催化还原性能——化学相关专业综合实验的设计与实践[J]. 大学化学, 2023, 38(5): 220 -226 .
[6]	董昱含, 朱荣秀. “暖男”石墨烯在冬奥[J]. 大学化学, 2022, 37(9): 2207088 - .
[7]	徐玲, 魏恒伟, 魏灵灵, 马艺, 王晓明, 焦桓. 基础无机化学实验课程思政的探索与实践——以氧化型石墨烯制备实验为例[J]. 大学化学, 2021, 36(3): 1912042 - .
[8]	杜宣锐, 罗嗣汉邦, 林泽炜, 王宇. 从碳到氮——以“金课”标准在碳基材料转化设计中提升学生创新思维培养[J]. 大学化学, 2021, 36(1): 2003111 - .
[9]	郑哲雄,朱一帆,康炜瑄,戴麟懿,刘洪志,马子凡. 石墨烯在无机材料中的闪光[J]. 大学化学, 2018, 33(5): 72 -82 .
[10]	常泰维,刘正,鲁亮,孙泽昊. 超越石墨烯：二维纳米材料[J]. 大学化学, 2017, 32(4): 79 -87 .
[11]	张安琪, 陈萌. 新型碳纳米结构的发现与启示[J]. 大学化学, 2014, 29(1): 48 -53 .
[12]	徐伟明, 俞敏强, 章鹏飞. 碳化学的中心教学法在大学普通化学教学中的运用[J]. 大学化学, 2013, 28(1): 10 -12 .

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Theoretical Study on the Conductivity Differences between Graphene and Hexagonal Boron Nitride

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