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用“三明治”方式设计新型六元环MA2Z4材料家族

中新网辽宁 2021年04月25日 20:27

  中新网辽宁新闻4月25日电 中国科学院金属研究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,相关研究成果近期发表在国际学术期《自然·通讯》。

图1. 90种MA2Z4二维材料元素组合示意图

  现在研究的石墨烯、六方氮化硼、二硫化钼和MnBi2Te4等均属于六元环无机二维材料。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。

图2. MA2Z4二维材料插层构筑强键合原理示意及结构筛选

  在前期工作基础上,研究人员发现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类型结构中形成的“三明治”结构。在“三明治”的层间界面处发生强化学键合,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,该方法是通过将不同种类二维材料堆叠或插层,二维材料之间的界面通过金属键、共价键或离子键的方式结合,实现新的功能组合体。

图3. MA2Z4材料家族稳定性

  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。这些新的MA2Z4二维材料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。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。

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

  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。

  发表论文链接:https://www.nature.com/articles/s41467-021-22324-8

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