获奖项目：低维材料中新奇量子现象及其调控的机理研究
主要完成人：段文晖（清华大学)，顾秉林（清华大学)，吴健（清华大学)，周刚（清华大学)
推荐单位：中国物理学会
获奖等级：国家自然科学奖二等奖
项目简介：该项目面向低维材料及其器件发展的需要，以电子和输运性质的理论和计算研究为基础，系统探索了几种重要的低维材料的新奇量子现象及其应用原理。项目组研究了下述几个紧密关联的问题：以石墨烯为代表的二维材料中的新奇量子现象、低维材料电子性质和输运行为的量子调控机理、以及基于低维材料的电子和自旋器件的原理和应用。项目的主要发现和学术影响总结如下：
　　1）发现新奇输运特性、创建同质器件构筑方案，为多个国际一流实验所实现。
发现具有相似能带的zigzag型石墨烯纳米带可呈现完全相反的I-V特征，并据此提出了基于波函数对称性的选择定则，这对能带结构完全决定导电性质的传统观点提供了一个反例；创建了基于单层石墨烯构筑具有同质结构功能器件的方案，其中的金属/半导体结、双极和n型场效应管的理论方案很快被实验工作所实现。系列工作被权威综述论文大篇幅引用和肯定。
2）揭示应力、掺杂和电场调控机制与新效应特征，被作为依据得到充分肯定。
发现碳纳米管在应力下发生金属-半导体转变，指出其主要源于受压所造成的镜像对称性破缺，该工作被他人用于解释其在Science上发表的实验结果，以及作为发展机电性能模型和计算方法的依据；发现氮化硼纳米结构中的半金属性Dirac电子态和巨斯塔克效应的标度规律，提出的理论模型被他人采用。
3）基于表面改性和量子尺寸效应所作的预言为国际著名实验室所证实。
阐明了表面氢桥键导致半导体表面n型掺杂的普适物理机制，由此预言的SrTiO3的氢致表面金属化被实验工作所证实；首次提出在铁电超晶格材料中通过组分调制诱导新铁电相从而提高材料性能的方法与机制，对BaTiO3超薄膜的铁电相图和畴界特征的理论预言被实验工作所证实。
4）提出准一维结构的电子/自旋场发射理论，被国内外同行广泛引用。
指出与传统的Fermi海电子场发射模型不同，低维体系场发射中顶端局域电子结构起决定性作用，提出外场使得束缚电子借助于共振隧穿效应而发射的新机理。
在低维材料的前瞻性基础研究中，揭示了新奇输运现象的物理原理，提出了量子调控机制及器件的构筑方案。理论预见/设计方案被实验所验证/实现，物理机制/模型被用于解释实验和计算结果/开展理论研究。若干突出的创新成果处于国际领先水平，对低维材料及量子器件原理的实验研究和理论探索起到了推动作用。项目发表相关SCI 论文87 篇，包括PRL 论文6 篇、JACS 论文3 篇、PRB/APL 论文40 篇；授权国际发明专利2 项。8 篇代表性论文被SCI他引超过800 次。
 
研究团队总体情况介绍：
顾秉林院士带领课题组的老师和学生从上个世纪80年代中后期就把科研工作的重点集中到低维体系量子性质的理论研究。他是研究团队的初始人。段文晖教授从1986年跟随顾秉林院士攻读硕士和博士学位期间及1994年到清华任教之后一直从事低维物理领域的研究，并从2000年以后开始负责组织本项目的具体研究工作。吴健1998年在顾秉林院士指导下获博士学位，之后在国外从事研究工作，于2000年回到清华任教，加入了研究团队。周刚于1999年作为顾秉林院士的博士后加入研究团队，2003年以后作为教师继续从事本项目的研究工作。研究团队的4名老师有着10余年的密切合作关系，在本领域合作发表上百篇学术论文，共同承担国家重大项目，共同培养拔尖人才，取得了丰硕的科研成果。顾秉林院士还当选瑞典皇家工程科学院院士、第三世界科学院院士，并获得何梁何利基金科技进步奖。段文晖教授获得了中国物理学会叶企孙物理奖。