數據驅動具有負泊松比二維材料及具有量子反常霍爾效應二維材料異質結的高通量計算研究獲進展

2020-11-19 光明網

隨著科技的發展，傳統電子元器件在不斷微型化過程中面臨諸多挑戰。尋找新材料、新結構和新原理器件是推動信息化器件進一步發展的關鍵。近年來，二維材料由於僅有單個或幾個原子層厚度，量子效應凸顯，呈現出許多區別於傳統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，探索具有優異性能的新型二維功能材料、研究其新奇物性並構築基於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、博士張豔芳、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結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構在應力下的演化模型，通過分析二維平面結構和起伏結構在應力下可能的演化過程，提出一個能夠使材料產生負泊松比的機制，即材料具有起伏結構，且次近鄰原子間相互作用較弱（圖1）。結合大數據挖掘和高通量計算，科研人員從二維材料資料庫中搜索到一個具有類似模型結構的二維材料家族，即具有p4mm二維空間群的過渡金屬硫族和滷族化合物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軌道滿佔據時，體系具有較弱的次近鄰相互作用，導致負泊松比的發生，與模型預測結果一致。研究中結構模型演化分析結合大數據材料挖掘的方式，提高了二維負泊松比材料的探索效率，為研究具有優異力學性質的二維材料提供了有價值的參考。相關研究成果發表在npj Computational Materials, 6, 154 (2020)上。

此外，研究人員提出一種通過構築二維磁性範德華異質結來實現量子反常霍爾（QAH）效應的方法，以克服傳統本徵磁性拓撲絕緣體數量稀少這一難題。通過尋找兩個具有特定能帶帶邊結構的二維（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構的Ⅲ型異質結（圖3）。結合基於對稱性分析的理論模型、大數據挖掘以及高通量計算方法，研究預測8種具有QAH效應的異質結候選材料，這些異質結材料由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成。以MnNF/MnNCl為例，理論上直接計算該異質結的電子結構（圖4）和拓撲不變量（陳數）以及手性邊緣態（圖5），計算結果表明MnNF和MnNCl在FM-stacking方式下能產生量子反常霍爾效應（QAH），與基於對稱性分析的理論模型結果一致。該研究展示了如何將數據驅動的材料科學與基於對稱性分析的理論模型相結合，尋找具有QAH效應和其他奇異量子態的新型異質結量子材料。相關研究結果發表在npj Computational Materials, 6, 152 (2020)上。

圖1.二維平面和起伏結構在單軸應力下結構演化示意圖

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

圖3.數據驅動二維磁性拓撲異質結探索流程

圖4.基於密度泛函理論的單層MnNF、MnNCl和MnNF/MnNCl異質結的電子結構

圖5.基於Tight-binding模型的MnNF/MnNCl異質結在FM-stacking and AFM-stacking下能帶結構

來源： 物理研究所

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