金屬所提出插層構築强鍵合方法設計新型六元環MA2Z4資料家族

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資料的結構越來越複雜，組元越來越多，效能也越來越豐富。現時二維資料的設計主要是通過將三維範德瓦爾斯層狀資料剝離得到其對應的二維資料結構。設計無已知三維母體資料的二維層狀資料，可極大拓展二維資料的物性和應用，具有重要的科學意義和實用價值。

2020年，金屬所瀋陽材料科學國家研究中心資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資料研究部任文才、成會明研究組解析了無已知三維母體的新型二維範德瓦爾斯層狀六元環資料MoSi₂N₄的精細結構，闡述了其基本物性，並預測了12種相同結構穩定的二維資料，從而提出了MA₂Z₄二維資料家族。相關材料研究工作曾於2020年8月7日以“Chemical vapor deposition of layered two-dimensional MoSi₂N₄materials”為題發表於國際學術期刊《Science》。

在此基礎上，金屬所資料設計與計算研究部的研究人員與合作者提出了插層構築强鍵合方法，設計了新型MA₂Z₄資料家族，進一步拓展了這一家族的候選資料和物性，近日文章以“Intercalated architecture of MA₂Z₄family 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資料可以看作2H-MoS₂或1T-MoS₂類型結構插入α-InSe或β-InSe類型結構中，介面發生强化學鍵合，形成了全新的資料體系。由此，研究人員提出了插層構築强鍵合的方法。儘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資料堆疊或插層實現新的功能組合體。但是它們的不同點在於二維異質結中不同種類二維資料是通過範德瓦爾斯力結合的，而插層構築强鍵合則是不同種類二維資料間通過金屬鍵、共價鍵或離子鍵的管道結合的，進而創制新材料。從熱力學和動力學方面來看，强鍵合更容易獲得穩定的新材料體系；從電子結構方面來看，强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築强鍵合的方法，針對MA₂Z₄二維資料家族，設計了39種二維由七個原子層組成的結構原型，並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資料，而且也預測出72種新的MA₂Z₄二維資料。它們表現出了拓撲絕緣體、磁性電晶體、超導體和電子能穀自旋極化等豐富物性：如把已知金屬鐵磁性的2H-NbN₂單層插入到已知的電晶體S_i2N₂單層中，產生了鐵磁半導體材料NbSi₂N₄，實現了1加1大於2的功能設計；再如，把已知2H-TaN₂這種金屬單層插入到已知電晶體Si₂N₂單層中，則獲得了意想不到的I型Ising超導TaSi₂N₄資料，超越已知物性，產生超導電性。此外，發現WSi₂P₄是具有獨特的自旋穀特性的直接間隙電晶體，可抵抗層間相互作用；VSi₂P₄則是鐵磁電晶體。這些效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電晶體，而具有33個價電子的那些可以是非磁性金屬或鐵磁性電晶體。該工作不僅拓展了MA₂Z₄二維資料家族的資料與新物性，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。