陈星秋等提出插层构筑强键合方法设计新型六元环MA2Z4材料家族

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从石墨烯、六方氮化硼、二硫化钼到MnBi2Te4等，这些六元环无机二维材料的结构越来越复杂，组元越来越多，性能也越来越丰富。目前二维材料的设计主要是通过将三维范德瓦尔斯层状材料剥离得到其对应的二维材料结构。设计无已知三维母体材料的二维层状材料，可极大拓展二维材料的物性和应用，具有重要的科学意义和实用价值。
　　2020年，金属所沈阳材料科学国家研究中心材料设计与计算研究部的研究人员曾利用第一性原理计算方法协助先进炭材料研究部任文才、成会明研究组解析了无已知三维母体的新型二维范德瓦尔斯层状六元环材料MoSi2N4的精细结构，阐述了其基本物性，并预测了12种相同结构稳定的二维材料，从而提出了MA2Z4二维材料家族。相关材料研究工作曾于2020年8月7日以“Chemical vapor deposition of layered two-dimensional MoSi2N4 materials”为题发表于国际学术期刊《Science》。

图1. 90种MA2Z4二维材料元素组合示意图

图2. MA2Z4二维材料插层构筑强键合原理示意及结构筛选

图3. MA2Z4材料家族稳定性

图4. 计算预测的β2-SrGa2Te4的拓扑绝缘体性质

图5. 计算预测的α1-TaSi2N4的伊辛超导性

　　在此基础上，金属所材料设计与计算研究部的研究人员与合作者提出了插层构筑强键合方法，设计了新型MA2Z4材料家族，进一步拓展了这一家族的候选材料和物性，近日文章以“Intercalated architecture of MA2Z4 family layered van der Waals materials with emerging topological, magnetic and superconducting properties”为题，发表在国际学术期刊Nature Communications，12, 2361 (2021)。
　　该工作主要受到了MnBi2Te4的启发，研究人员注意到由七个原子层组成的单层MnBi2Te4和单层MoSi2N4材料可以看作2H-MoS2或1T-MoS2类型结构插入α-InSe或β-InSe类型结构中，界面发生强化学键合，形成了全新的材料体系。由此，研究人员提出了插层构筑强键合的方法。尽管该方法与异质结构造方法相同，它们都是通过不同种类二维材料堆叠或插层实现新的功能组合体。但是它们的不同点在于二维异质结中不同种类二维材料是通过范德瓦尔斯力结合的，而插层构筑强键合则是不同种类二维材料间通过金属键、共价键或离子键的方式结合的，进而创制新材料。从热力学和动力学方面来看，强键合更容易获得稳定的新材料体系；从电子结构方面来看，强键合本质上会重构其对应二维基本单元的能带结构，从而产生了丰富的新物性。
　　研究人员利用该插层构筑强键合的方法，针对MA2Z4二维材料家族，设计了39种二维由七个原子层组成的结构原型，并通过高通量计算对每种结构原型考虑了不同元素间的90种组合，计算不但验证了实验已经合成的MnBi2Te4和MoSi2N4材料，而且也预测出72种新的MA2Z4二维材料。它们表现出了拓扑绝缘体、磁性半导体、超导体和电子能谷自旋极化等丰富物性：如把已知金属铁磁性的2H-NbN2单层插入到已知的半导体Si2N2单层中，产生了铁磁半导体材料NbSi2N4，实现了1加1大于2的功能设计；再如，把已知2H-TaN2这种金属单层插入到已知半导体Si2N2单层中，则获得了意想不到的I型Ising超导TaSi2N4材料，超越已知物性，产生超导电性。此外，发现WSi2P4是具有独特的自旋谷特性的直接间隙半导体，可抵抗层间相互作用；VSi2P4则是铁磁半导体。这些性能可以根据价电子的总数进行分类，具有32和34价电子的系统主要是半导体，而具有33个价电子的那些可以是非磁性金属或铁磁性半导体。该工作不仅拓展了MA2Z4二维材料家族的材料与新物性，而且也为无三维母体的二维新材料体系和功能设计提供了思路。
　　该项研究主要由金属所沈阳材料科学国家研究中心完成，并与湖南师范大学合作。金属所陈星秋研究员和湖南师范大学陈明星教授为本文的通讯作者，金属所博士生王磊为第一作者，博士生刘鸣凤和时永鹏参与了该工作。本工作得到了国家自然科学基金委和沈阳材料科学国家研究中心等项目资助。  


        文章来源：金属所
        陈星秋，中国科学院金属研究所研究员。1998年毕业于东北大学钢铁冶金系，获学士学位；2001年毕业于东北大学材料与冶金学院冶金专业，获工学硕士学位；2001年3月到2001年6月，东北大学材料与冶金学院助教；2004年毕业于奥地利维也纳大学理学院物理化学专业，获理学博士学位。2004年5月到2006年底，奥地利维也纳计算材料科学中心(CMS)和维也纳大学物理化学研究所，博士后；2007年初到2009年底，美国橡树岭国家实验室材料科学与工程研究部博士后。2010年，入选“百人计划”进入中国科学院金属研究所工作，主要从事新材料设计和材料物性模拟方面的研究工作。2010年8月，以客座研究员的身份短期在日本理研(RIKEN)凝聚态物理实验室进行合作研究。
       陈明星教授，2004年6月、2007年6月分别从湘潭大学获得本科和硕士学位，2012年3月从维也纳大学获得博士学位，2012-2016年分别在维也纳大学和威斯康星大学密尔沃基分校从事研究工作。研究方向为计算凝聚态物理，主要研究表面与界面低维体系的电子结构及相关计算方法的发展。