半导体材料与集成电路技术是信息化技术的基石，而硅晶体由于其自身的特性在成就了当今的信息革命的同时也在一定程度上阻碍了微电子技术的进步，后摩尔时代的微电子科学与技术的研究变得日趋急迫。开发先进多功能新型半导体材料已成为夯实现代信息科技与产业的主要研究挑战之一。实验上通过“试错法”寻找新型半导体材料的途径存在周期长，资源消耗大，往往不能获得理想的合成目标等主要问题，且实验上对材料晶体结构与物理性质之间的机制也很难给出完美的解释，而基于密度泛函理论第一性原理与晶体结构理论预测在这方面独具优势。本项目在传统半导体材料研究的基础上，结合晶体结构预测技术与第一性原理算法，获得了一批高性能新材料和新应用原创性成果，为实现材料领域创新、解决能源危机和生态环境污染等问题提供助力，为引领未来新型材料科技和产业的发展提供材料支撑。

主要发现点

(1)    提出了一种最小导热系数远小于金刚石硅的新型硅同素异形体t-Si₆₄，该研究工作对第IV主族元素半导体材料在光伏领域和电子器件制造方便的应用具有积极意义。【代表性论文1】

(2)    基于空间群与图论算法的晶体结构预测技术，首次提出了五种具有纳米管和笼型结构的新型碳材料tP12、tP16、tP24、oP12和oP18和一种超硬的新型碳oP8，并通过基于量子力学的第一性原理计算，系统的研究了这些新材料的物理性质。六种结构都是可用于制造半导体电子器件和光电器件的潜在半导体材料，该研究工作对半导体碳材料的光电应用和力学应用有积极意义。【代表性论文2、3】

(3)    阐明了过渡金属氧化物在厌氧消化系统中作为促进剂的作用，评估了使用所制备的过渡金属氧化物促进剂的AD系统的性能，这项工作为了解高性能促进剂在AD系统中的功能提供了有效策略。【代表性论文4】

(4)    使用第一性原理计算，构建了两种具有稳定正交结构的二维碳材料(TPH-1碳和TPH-II碳)，并预测了它们的电子迁移率、电子有效质量、光吸收系数以及在水分解中的应用，两种新型碳材料对可见光有很高的吸收率。此外，TPH-I碳是水分解反应的潜在光催化剂。论文的研究工作对寻找具有高电子迁移率的二维碳材料，以及探索这类材料在光伏领域的应用具有积极意义。【代表性论文5】

科学价值

(1)     将空间群与图论算法结合第一性原理计算相结合的方法应用到常压和高压下功能材料的结构设计与物性研究中，为功能材料的设计提供了高效的计算手段。

(2)     研究中提出的新型第IV主族的同素异形体材料物理性质的宏观性能调控，可以缩短实验上探索合成工艺的周期，提高合成效率，并且可以为我国半导体产业的发展提供理论基础和实验指导。

(3)     研究中采用基于第一原理的密度泛函理论计算提供了支持DIET机制的理论证据，为解释过渡金属氧化物在厌氧消化系统中作为促进剂的作用机制提供了新的思路和方法。

同行引用评价情况

(1)    本项目发表的5篇论文均被《SCIE》收录，且均为ESI高被引文章；

(2)    本项目发表的5篇论文的总影响因子为30.029，单篇最高为11.889；

(3)    代表性论文【1-5】全都入选ESI高被引论文。

(4)    发表的论文共被其他作者引用90次。被同行引用频次中的有14次是出现在影响因子大于10.0的期刊上，比如发表在《Physics Reports》(IF=30.51)《Advanced Materials》(IF=32.086)、《Water Research》(IF=13.4)、《Nano Today》(IF=18.962)、《Energy Conversion and Management》(IF=11.533)、《Bioresource Technology》(11.889)等期刊上的一些文章，并且在引用者中不乏有在北京大学、西安交通大学、天津大学、同济大学的研究者们。例如[Nano Today, 2022, 44, 101501]、[Adv. Mater 2022, 34, 2200559]、[Adv. Mater. Interfaces 2023, 10, 2201941]、[Water Research, 2022, 220, 118687]等。

2.代表性论文目录

[1]    Qingyang Fan, Rui Niu, Wenzhu Zhang, Wei Zhang, Yingchun Ding, Sining Yun. t-Si₆₄: A Novel Silicon Allotrope. ChemPhysChem, 2019, 20:128–133.

[2]    Qingyang Fan, Huiqin Wang, Yanxing Song, Wei Zhang, Sining Yun, Five carbon allotropes from Squaroglitter structures, Computational Materials Science, 2020, 178, 109634.

[3]    Qingyang Fan, Chensi Li, Runling Yang, Xinhai Yu, Wei Zhang, Sining Yun, Stability, mechanical, anisotropic and electronic properties of oP8 carbon: A superhard carbon allotrope in orthorhombic phase, Journal of Solid State Chemistry, 2021, 294, 121894.

[4]    Sining Yun, Tian Xing, Feng Han, Jing Shi, Ziqi Wang, Qingyang Fan, Hongfei Xu, Enhanced direct interspecies electron transfer with transition metal oxide accelerants in anaerobic digestion, Bioresource Technology, 2021, 320, 124294.

[5] Wei Zhang, Changchun Chai, Qingyang Fan, Yanxing Song, Yintang Yang. Two-dimensional carbon allotropes with tunable direct band gaps and high carrier mobility. Applied Surface Science 2021, 537, 147885.