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從石墨烯、六方氮化硼、二硫化鉬到MnBi₂Te₄等，這些六元環(huán)無機二維材料的結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜，組元越來越多，性能也越來越豐富。目前二維材料的設(shè)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(yīng)的二維材料結(jié)構(gòu)。設(shè)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(yīng)用，具有重要的科學意義和實用價值。 

　　2020年，中科院金屬所沈陽材料科學國家研究中心材料設(shè)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(xié)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(huán)材料MoSi₂N₄的精細結(jié)構(gòu)，闡述了其基本物性，并預(yù)測了12種相同結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的二維材料，從而提出了MA₂Z₄二維材料家族。相關(guān)材料研究工作曾于2020年8月7日以“Chemical vapor deposition of layered two-dimensional MoSi₂N₄ materials”為題發(fā)表于國際學術(shù)期刊《Science》。 

　　在此基礎(chǔ)上，金屬所材料設(shè)計與計算研究部的研究人員與合作者提出了插層構(gòu)筑強鍵合方法，設(shè)計了新型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(fā)表在國際學術(shù)期刊Nature Communications，12, 2361 (2021)。 

　　該工作主要受到了MnBi₂Te₄的啟發(fā)，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(jié)構(gòu)插入α-InSe或β-InSe類型結(jié)構(gòu)中，界面發(fā)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(gòu)筑強鍵合的方法。盡管該方法與異質(zhì)結(jié)構(gòu)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(xiàn)新的功能組合體。但是它們的不同點在于二維異質(zhì)結(jié)中不同種類二維材料是通過范德瓦爾斯力結(jié)合的，而插層構(gòu)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(jié)合的，進而創(chuàng)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(wěn)定的新材料體系；從電子結(jié)構(gòu)方面來看，強鍵合本質(zhì)上會重構(gòu)其對應(yīng)二維基本單元的能帶結(jié)構(gòu)，從而產(chǎn)生了豐富的新物性。 

　　研究人員利用該插層構(gòu)筑強鍵合的方法，針對MA₂Z₄二維材料家族，設(shè)計了39種二維由七個原子層組成的結(jié)構(gòu)原型，并通過高通量計算對每種結(jié)構(gòu)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(jīng)合成的MnBi₂Te₄和MoSi₂N₄材料，而且也預(yù)測出72種新的MA₂Z₄二維材料。它們表現(xiàn)出了拓撲絕緣體、磁性半導(dǎo)體、超導(dǎo)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(dǎo)體S_i2N₂單層中，產(chǎn)生了鐵磁半導(dǎo)體材料NbSi₂N₄，實現(xiàn)了1加1大于2的功能設(shè)計；再如，把已知2H-TaN₂這種金屬單層插入到已知半導(dǎo)體Si₂N₂單層中，則獲得了意想不到的I型Ising超導(dǎo)TaSi₂N₄材料，超越已知物性，產(chǎn)生超導(dǎo)電性。此外，發(fā)現(xiàn)WSi₂P₄是具有獨特的自旋谷特性的直接間隙半導(dǎo)體，可抵抗層間相互作用；VSi₂P₄則是鐵磁半導(dǎo)體。這些性能可以根據(jù)價電子的總數(shù)進行分類，具有32和34價電子的系統(tǒng)主要是半導(dǎo)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(dǎo)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(shè)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(gòu)筑強鍵合原理示意及結(jié)構(gòu)篩選

圖3. MA₂Z₄材料家族穩(wěn)定性

圖4. 計算預(yù)測的β₂-SrGa₂Te₄的拓撲絕緣體性質(zhì) 

圖5. 計算預(yù)測的α1-TaSi₂N₄的伊辛超導(dǎo)性

參考資料

[1] 金屬所提出插層構(gòu)筑強鍵合方法設(shè)計新型六元環(huán)MA2Z4材料家族http://www.imr.cas.cn/xwzx/kydt/202104/t20210423_5995979.html