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著諸多挑戰(zhàn)。尋找新材料、新結(jié)構(gòu)和新原理器件是推動(dòng)信息化器件進(jìn)一步發(fā)展的關(guān)鍵。近年來，二維材料由于僅有單個(gè)或幾個(gè)原子層厚度，量子效應(yīng)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(duì)二維材料的實(shí)際應(yīng)用具有重要意義。

最近，中國科學(xué)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(shí)驗(yàn)室N11組潘金波副研究員、張艷芳博士、杜世萱研究員與天普大學(xué)嚴(yán)琪閩教授等人合作，在二維層狀材料及異質(zhì)結(jié)的新奇物性方面取得重要進(jìn)展。他們設(shè)計(jì)了正方形晶格結(jié)構(gòu)在應(yīng)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(yīng)力下可能的演化過程，提出了一個(gè)能夠使材料產(chǎn)生負(fù)泊松比的機(jī)制，即：材料具有起伏結(jié)構(gòu)，并且次近鄰原子間相互作用較弱（圖1）。

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

結(jié)合大數(shù)據(jù)挖掘和高通量計(jì)算，他們從二維材料數(shù)據(jù)庫中搜索到一個(gè)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）。

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)。

理論計(jì)算表明，當(dāng)金屬原子3d軌道滿占據(jù)時(shí)，體系具有較弱的次近鄰相互作用，導(dǎo)致負(fù)泊松比的發(fā)生，與模型預(yù)測結(jié)果一致。本工作中結(jié)構(gòu)模型演化分析結(jié)合大數(shù)據(jù)材料挖掘的方式，極大地提高了二維負(fù)泊松比材料的探索效率，為研究具有優(yōu)異力學(xué)性質(zhì)的二維材料提供了有價(jià)值的參考。該工作近期發(fā)表在npj Computational Materials 6, 154 (2020)上。

他們還提出了一種通過構(gòu)筑二維磁性范德華異質(zhì)結(jié)來實(shí)現(xiàn)量子反常霍爾(QAH)效應(yīng)的方法，以突破傳統(tǒng)本征磁性拓?fù)浣^緣體數(shù)量稀少這一瓶頸。通過尋找兩個(gè)具有特定能帶帶邊結(jié)構(gòu)的二維（通常是拓?fù)淦接沟模┐判园雽?dǎo)體化合物的組合，使得它們形成具有拓?fù)浞瞧接鼓軒ЫY(jié)構(gòu)的III型異質(zhì)結(jié)（圖3）。

圖3. 數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)二維磁性拓?fù)洚愘|(zhì)結(jié)探索流程。

結(jié)合基于對(duì)稱性分析的理論模型、大數(shù)據(jù)挖掘以及高通量計(jì)算方法，他們預(yù)測了8種具有QAH效應(yīng)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(dǎo)體材料構(gòu)成。以MnNF/MnNCl為例，理論上直接計(jì)算了該異質(zhì)結(jié)的電子結(jié)構(gòu)（圖4）和拓?fù)洳蛔兞浚悢?shù)）以及手性邊緣態(tài)（圖5）

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)。

計(jì)算結(jié)果表明MnNF和MnNCl在FM-stacking方式下能產(chǎn)生量子反常霍爾效應(yīng)(QAH)，與基于對(duì)稱性分析的理論模型結(jié)果一致。這項(xiàng)工作展示了如何將數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的材料科學(xué)與基于對(duì)稱性分析的理論模型相結(jié)合，尋找具有QAH效應(yīng)和其他奇異量子態(tài)的新型異質(zhì)結(jié)量子材料。該研究結(jié)果近日發(fā)表在npj Computational Materials 6, 152 (2020)上。

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https://www.nature.com/articles/s41524-020-00424-1

https://www.nature.com/articles/s41524-020-00419-y