低維材料被視為未來信息科學(xué)技術(shù)特別是新一代量子器件的基礎(chǔ)，并在能源和材料等交叉領(lǐng)域中呈現(xiàn)引領(lǐng)作用，是當(dāng)前凝聚態(tài)物理和材料科學(xué)最活躍的前沿領(lǐng)域之一。清華大學(xué)物理系段文暉教授、顧秉林教授、吳健教授和周剛研究員等組成的項目組，面向低維材料及其器件發(fā)展的需要，以電子和輸運性質(zhì)的理論和計算研究為基礎(chǔ)，系統(tǒng)探索了幾種重要的低維材料的新奇量子現(xiàn)象及其應(yīng)用原理。這些工作產(chǎn)生了廣泛的國際影響，對低維材料及量子器件原理的實驗研究和理論探索起到了推動作用。2015年1月9日，在2014年度國家科學(xué)技術(shù)獎勵大會上，段文暉教授研究組的“低維材料中新奇量子現(xiàn)象及其調(diào)控的機理研究”項目獲得了國家自然科學(xué)二等獎。

這一項目面向低維材料及其器件發(fā)展的需要，以電子結(jié)構(gòu)和輸運性質(zhì)研究為基礎(chǔ)，系統(tǒng)探索了幾種重要的低維材料的新奇量子現(xiàn)象及其應(yīng)用原理。項目組項目的主要發(fā)現(xiàn)和學(xué)術(shù)影響包括：發(fā)現(xiàn)具有相似金屬性能帶結(jié)構(gòu)的zigzag型石墨烯納米帶在外加偏壓下可呈現(xiàn)出完全不同的金屬或半導(dǎo)體性的I-V 特征，率先提出基于單層石墨烯構(gòu)筑具有同質(zhì)結(jié)構(gòu)功能器件的方案；預(yù)言金屬型碳納米管在應(yīng)力下將發(fā)生金屬-半導(dǎo)體轉(zhuǎn)變，闡明其物理機制是受壓所造成的鏡像對稱破缺和側(cè)壁原子的成鍵作用，闡明表面氫橋鍵導(dǎo)致n型摻雜的普適物理機制，首次提出在鐵電超晶格材料中通過組分調(diào)制誘導(dǎo)新鐵電相從而提高材料性能的方法與機制；指出與傳統(tǒng)的Fermi海中電子場發(fā)射模型不同，納米體系場發(fā)射中頂端局域電子結(jié)構(gòu)起決定性作用，提出外場使得束縛電子借助于共振隧穿效應(yīng)發(fā)射的機理，首次發(fā)現(xiàn)BN納米管可以呈現(xiàn)巨自旋分裂效應(yīng)，設(shè)計了基于該效應(yīng)的自旋極化電子場發(fā)射源。

該項目在2001年至2010年期間，共發(fā)表相關(guān)SCI 收錄論文約90 篇，其中包括Physical Review Letters論文7篇、JACS論文4篇、Physical Review B/Applied Physics Letters論文40篇。這些論文產(chǎn)生了廣泛的國際影響。其中20篇主要論文的他引次數(shù)超過1250次（8篇代表性論文他引超過740次），單篇論文最高他引超過220次。項目組提出的多個理論結(jié)果被用于解釋重要實驗結(jié)果，一些理論預(yù)言為實驗所實現(xiàn)。在項目工作的基礎(chǔ)上，項目組成員也獲得國內(nèi)的多項科研獎勵。