隨著科技的發(fā)展，傳統(tǒng)電子元器件在不斷微型化過程中面臨諸多挑戰(zhàn)。尋找新材料、新結(jié)構(gòu)和新原理器件是推動信息化器件進一步發(fā)展的關鍵。近年來，二維材料由于僅有單個或幾個原子層厚度，量子效應凸顯，呈現(xiàn)出許多區(qū)別于傳統(tǒng)三維材料的新奇物性和卓越性能，有望成為新原理型光、電、磁等器件的核心材料。因此，探索具有優(yōu)異性能的新型二維功能材料、研究其新奇物性并構(gòu)筑基于二維材料的新原理器件，對二維材料的實際應用具有重要意義。

近日，中國科學院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家研究中心納米物理與器件實驗室N11組副研究員潘金波、博士張艷芳、研究員杜世萱，與美國天普大學教授嚴琪閩等合作，在二維層狀材料及異質(zhì)結(jié)的新奇物性研究中取得進展。研究人員設計出正方形晶格結(jié)構(gòu)在應力下的演化模型，通過分析二維平面結(jié)構(gòu)和起伏結(jié)構(gòu)在應力下可能的演化過程，提出一個能夠使材料產(chǎn)生負泊松比的機制，即材料具有起伏結(jié)構(gòu)，且次近鄰原子間相互作用較弱（圖1）。結(jié)合大數(shù)據(jù)挖掘和高通量計算，科研人員從二維材料數(shù)據(jù)庫中搜索到一個具有類似模型結(jié)構(gòu)的二維材料家族，即具有p4mm二維空間群的過渡金屬硫族和鹵族化合物MX，其中M為V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Ag，X為Se，Cl，Br，I（圖2）。理論計算表明，當金屬原子3d軌道滿占據(jù)時，體系具有較弱的次近鄰相互作用，導致負泊松比的發(fā)生，與模型預測結(jié)果一致。研究中結(jié)構(gòu)模型演化分析結(jié)合大數(shù)據(jù)材料挖掘的方式，提高了二維負泊松比材料的探索效率，為研究具有優(yōu)異力學性質(zhì)的二維材料提供了有價值的參考。相關研究成果發(fā)表在npj Computational Materials, 6, 154 (2020)上。

此外，研究人員提出一種通過構(gòu)筑二維磁性范德華異質(zhì)結(jié)來實現(xiàn)量子反?；魻枺≦AH）效應的方法，以克服傳統(tǒng)本征磁性拓撲絕緣體數(shù)量稀少這一難題。通過尋找兩個具有特定能帶帶邊結(jié)構(gòu)的二維（通常是拓撲平庸的）磁性半導體化合物的組合，使得它們形成具有拓撲非平庸能帶結(jié)構(gòu)的Ⅲ型異質(zhì)結(jié)（圖3）。結(jié)合基于對稱性分析的理論模型、大數(shù)據(jù)挖掘以及高通量計算方法，研究預測8種具有QAH效應的異質(zhì)結(jié)候選材料，這些異質(zhì)結(jié)材料由MXY化合物（M=金屬原子，X=S，Se，Te，Y=F，Cl，Br，Ⅰ）中二維鐵磁半導體材料構(gòu)成。以MnNF/MnNCl為例，理論上直接計算該異質(zhì)結(jié)的電子結(jié)構(gòu)（圖4）和拓撲不變量（陳數(shù)）以及手性邊緣態(tài)（圖5），計算結(jié)果表明MnNF和MnNCl在FM-stacking方式下能產(chǎn)生量子反?；魻栃≦AH），與基于對稱性分析的理論模型結(jié)果一致。該研究展示了如何將數(shù)據(jù)驅(qū)動的材料科學與基于對稱性分析的理論模型相結(jié)合，尋找具有QAH效應和其他奇異量子態(tài)的新型異質(zhì)結(jié)量子材料。相關研究結(jié)果發(fā)表在npj Computational Materials, 6, 152 (2020)上。

論文鏈接：1、2

圖1.二維平面和起伏結(jié)構(gòu)在單軸應力下結(jié)構(gòu)演化示意圖

圖2.(a)具有p4mm二維空間群的MX材料家族的幾何結(jié)構(gòu)。(b)泊松比與其它結(jié)構(gòu)參數(shù)

圖3.數(shù)據(jù)驅(qū)動二維磁性拓撲異質(zhì)結(jié)探索流程

圖4.基于密度泛函理論的單層MnNF、MnNCl和MnNF/MnNCl異質(zhì)結(jié)的電子結(jié)構(gòu)

圖5.基于Tight-binding模型的MnNF/MnNCl異質(zhì)結(jié)在FM-stacking and AFM-stacking下能帶結(jié)構(gòu)