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金屬所提出插層構筑強鍵合方法設計新型六元環MA2Z4材料家族
 
2021-04-23 | 文章來源:材料設計與計算研究部        【 】【打印】【關閉

  從石墨烯、六方氮化硼、二硫化鉬到MnBi2Te4等,這些六元環無機二維材料的結構越來越復雜,組元越來越多,性能也越來越豐富。目前二維材料的設計主要是通過將三維范德瓦爾斯層狀材料剝離得到其對應的二維材料結構。設計無已知三維母體材料的二維層狀材料,可極大拓展二維材料的物性和應用,具有重要的科學意義和實用價值。 

  2020年,金屬所沈陽材料科學國家研究中心材料設計與計算研究部的研究人員曾利用第一性原理計算方法協助先進炭材料研究部任文才、成會明研究組解析了無已知三維母體的新型二維范德瓦爾斯層狀六元環材料MoSi2N4的精細結構,闡述了其基本物性,并預測了12種相同結構穩定的二維材料,從而提出了MA2Z4二維材料家族。相關材料研究工作曾于2020年8月7日以“Chemical vapor deposition of layered two-dimensional MoSi2Nmaterials”為題發表于國際學術期刊《Science》。 

  在此基礎上,金屬所材料設計與計算研究部的研究人員與合作者提出了插層構筑強鍵合方法,設計新型MA2Z4材料家族,進一步拓展了這一家族的候選材料和物性,近日文章以“Intercalated architecture of MA2Z4 family layered van der Waals materials with emerging topological, magnetic and superconducting properties”為題,發表在國際學術期刊Nature Communications,12, 2361 (2021)。 

  該工作主要受到了MnBi2Te4的啟發,研究人員注意到由七個原子層組成的單層MnBi2Te4和單層MoSi2N4材料可以看作2H-MoS2或1T-MoS2類型結構插入α-InSe或β-InSe類型結構中,界面發生強化學鍵合,形成了全新的材料體系。由此,研究人員提出了插層構筑強鍵合的方法。盡管該方法與異質結構造方法相同,它們都是通過不同種類二維材料堆疊或插層實現新的功能組合體。但是它們的不同點在于二維異質結中不同種類二維材料是通過范德瓦爾斯力結合的,而插層構筑強鍵合則是不同種類二維材料間通過金屬鍵、共價鍵或離子鍵的方式結合的,進而創制新材料。從熱力學和動力學方面來看,強鍵合更容易獲得穩定的新材料體系;從電子結構方面來看,強鍵合本質上會重構其對應二維基本單元的能帶結構,從而產生了豐富的新物性。 

  研究人員利用該插層構筑強鍵合的方法,針對MA2Z4二維材料家族,設計了39種二維由七個原子層組成的結構原型,并通過高通量計算對每種結構原型考慮了不同元素間的90種組合,計算不但驗證了實驗已經合成的MnBi2Te4和MoSi2N4材料,而且也預測出72種新的MA2Z4二維材料。它們表現出了拓撲絕緣體、磁性半導體、超導體和電子能谷自旋極化等豐富物性:如把已知金屬鐵磁性的2H-NbN2單層插入到已知的半導體Si2N2單層中,產生了鐵磁半導體材料NbSi2N4,實現了1加1大于2的功能設計;再如,把已知2H-TaN2這種金屬單層插入到已知半導體Si2N2單層中,則獲得了意想不到的IIsing超導TaSi2N4材料,超越已知物性,產生超導電性。此外,發現WSi2P4是具有獨特的自旋谷特性的直接間隙半導體,可抵抗層間相互作用;VSi2P4是鐵磁半導體。這些性能可以根據價電子的總數進行分類,具有32和34價電子的系統主要是半導體,而具有33個價電子的那些可以是非磁性金屬或鐵磁性半導體。該工作不僅拓展了MA2Z4二維材料家族的材料與新物性,而且也為無三維母體的二維新材料體系和功能設計提供了思路。 

  該項研究主要由金屬所沈陽材料科學國家研究中心完成,并與湖南師范大學合作。金屬所陳星秋研究員和湖南師范大學陳明星教授為本文的通訊作者,金屬所博士生王磊為第一作者,博士生劉鳴鳳和時永鵬參與了該工作。本工作得到了國家自然科學基金委和沈陽材料科學國家研究中心等項目資助。  

  論文鏈接

圖1. 90種MA2Z4二維材料元素組合示意圖

圖2. MA2Z4二維材料插層構筑強鍵合原理示意及結構篩選

圖3. MA2Z4材料家族穩定性

4. 計算預測的β2-SrGa2Te4的拓撲絕緣體性質 

圖5. 計算預測的α1-TaSi2N4的伊辛超導性

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