中國歷史上四大書院之岳麓書院（@湖南大學）起始至公元976年，新型在graphene+的半負泊松比效守護下，應用負泊松比效應帶來的應材先進減震防護技術，抵擋天外襲擊并保護古建筑，料牛成為中原大地上傳承千年的新型門派。（感謝湖南大學陳艾伶與詹雨齊同學對宣傳圖像制作提供的半負泊松比效幫助）
【摘要】
本征負泊松比傳統上被分為四類，該工作報道了第五類負泊松比行為，應材即面外半負泊松比(out-of-plane NPR)。料牛這種負泊松比能夠映射到具有sp2-sp3雜化的新型新型二維碳網絡，grapheneplus?(graphene+)。半負泊松比效此外，應材graphene+還具有穩健的料牛狄拉克性質。憑借出色的新型電子和機械性能，graphene+可用作設計和制造具有負泊松比效應和狄拉克特性的半負泊松比效先進多功能平臺，促進拉脹材料家族的應材進一步蓬勃發展，和電子器件的新應用。
【引言】
碳材料一直是材料科學、凝聚態物理和熱管理相關領域的熱點。例如，金剛石作為典型的三維碳材料，具有自然界最高的硬度和超高熱導率。此外，石墨烯作為典型的二維碳材料，具有狄拉克錐和超高熱導率。迄今為止，Samara?Carbon?Allotrope?Database已記錄了522個三維碳同素異形體，并發表460余篇關于碳材料結構的研究論文，這展示了碳材料的關鍵作用和重要影響。
二維材料的穩定性一直存在爭議，直到 2004年成功制備石墨烯。石墨烯具有許多非凡性能和新奇現象，如超高載流子濃度和量子霍爾效應，這些非凡的特性主要起源于其特殊的電子能帶結構。石墨烯中導帶和價帶之間線性接觸，形成狄拉克錐。因此，尋找具有狄拉克特性的新型二維材料引起了廣泛的研究興趣，有望具有出色的物理特性。
在實際應用中，力學性能至關重要，特別是對于拉脹材料中的負泊松比效應。負泊松比意味著材料在拉伸（壓縮）時同時橫向膨脹（收縮）。負泊松比效應可以增強材料的韌性和振動吸收性能。因此，負泊松比效應有利于電子器件的減震防護，提升其工作穩定性和工作壽命。此外，拉脹材料在緊固件、生物假體、航空航天、國防等方面也有很多潛在的重要應用。根據前期的研究結果，本征負泊松比效應可以分為四種：
（1）平面內負泊松比，只存在于x-y平面；
（2）平面外負泊松比，僅存在于±z方向；
（3）雙向負泊松比，在 x-y 平面和 ±z 方向上都存在;
（4）平面內半負泊松比，無論是拉伸還是壓縮，材料都會橫向膨脹，即只有拉伸的時候表現出負泊松比效應。
在此基礎上，是否存在第五類負泊松比效應？?
【成果簡介】
近日，湖南大學的余林鳳（第一作者）、鄭雄（第四作者）、秦光照（通訊作者）和鄭州大學的秦真真（第二作者）、湘潭大學的王慧敏（第三作者）合作開展研究，基于第一性原理計算，設計了一種新型二維sp2-sp3碳同素異形體，即grapheneplus（graphene+）。研究表明，graphene+比五角石墨烯（penta-graphene）在能量上更穩定，表明它在實驗中更容易合成。 在物理性質上，graphene+不僅繼承了石墨烯的狄拉克特性，同時也繼承了五角石墨烯的負泊松比（NPR）特性。此外，無論施加單軸/雙軸應變和電場，形成節點環的狄拉克節點都可以保持穩定的表現。對于其負泊松效應，研究發現graphene+中的NPR只有在拉伸時才會沿面外方向表現出來，即面外的半泊松比（out-of-plane?NPR）。本征負泊松比傳統上被分為四類，該工作報道的面外半負泊松比(out-of-plane NPR)為第五類。該工作通過結構和電子結構的耦合設計，實現了一種新型二維碳同素異形體，并在其中發現了一種全新的負泊松比效應(out-of-plane NPR)，拓展了人們對負泊松比行為的了解。
該工作于近日在線發表于全球著名Cell出版社旗下新晉高水平期刊《Cell Reports Physical Science》?Cell Reports Physical Science?3,?100790 (2022)
【圖文導讀】
圖1. 二維材料中泊松比行為的示意圖。
材料的本征泊松比行為可分為正（PPR）和負（NPR）泊松比。其中本征負泊松比行為又可以分為面內的負泊松比（in-plane?NPR），面外的負泊松比（out-of-plane?NPR），雙向的負泊松比（bidirectional?NPR），面內的半泊松比（in-plane?half-NPR）。該工作報道了一種新的負泊松比行為，即面外的半泊松比（Out-of-plane?half-NPR）。
圖2.?Graphene+的幾何結構和穩定性驗證。
與石墨烯不同，Graphene+具有sp2-sp3雜化的二維碳網絡。聲子色散沒有虛頻表明動力學穩定性；室溫下AIMD模擬證實了熱學穩定性；能量上Graphene+低于五角石墨烯，甚至比已經在實驗上合成的T-carbon更低。這些證據表明graphene+具有良好的穩定性，有望被實驗合成。
圖3. 面外半負泊松比行為的演化。
無論Graphene+是被拉伸還是被壓縮，它在面外方向上都膨脹，這表明graphene+在拉伸的時候才表現出負泊松比行為，這與先前報道的負泊松比行為不同。在graphene+中，負泊松比的出現能夠歸因于三種幾何模式的競爭：（1）鍵角(BA)模式，僅鍵角變化（Δθ≠0，Δl=0），（2）鍵長(BL)模式，僅鍵長變化（Δθ=0，Δl≠0）, (3) 原子偏移 (AO) 模式，其中只有 sp3?碳原子發生位移 (d≠0)。研究表明，AO 和 BL 模式主導了負泊松比的出現。
圖4. Graphene+的電子狄拉克性質（Dirac?nodal loop）
與石墨烯類似，Graphene+也具有狄拉克性質。然而與石墨烯不同的是，graphene+中的兩個具有近似圓形橫截面的獨立帶交叉形成具有環狀分布的狄拉克節點，即狄拉克節點環（Dirac?nodal loop），主要由pz軌道貢獻。無論施加單軸/雙軸應變和電場，狄拉克節點環都保持穩定存在，表明其狄拉克特性驅動的優良性能不受外界機械力場和電場的干擾。
【參考文獻】
Linfeng Yu, Zhen zhen Qin, Huimin Wang, Xiong Zheng, and Guangzhao Qin*, Half-negative Poisson's ratio in graphene+ with intrinsic Dirac nodal loop, Cell Reports Physical Science?3,?100790 (2022)
