ACS美國化學會 - 理性設計具有優良拓撲、磁性和介電性能的雙陰離子釩基二維材料－鑽石舞台

英文原題：Rational Design of Heteroanionic Two-Dimensional Materials with Emerging Topological, Magnetic, and Dielectric Properties

通訊作者：潘金波、杜世萱，中國科學院物理研究所

作者：李玉輝、張艷芳、鄧俊、董文瀚、孫家濤、潘金波、杜世萱

研究背景

二維材料由於獨特的幾何、電子結構和豐富可調控特性受到研究人員的廣泛關注。雙陰離子三元二維材料最近陸續被實驗合成，與近年來備受關注的二元化合物相比多了一個可調控自由度，有望產生二元體系中很難出現的性質。因此，理解和揭示雙陰離子體系中晶格對稱性、電荷占據、配體強弱及其協同效應等與物性之間的關聯規律，將大大縮短高性能二維材料研發周期、加速材料創新過程，為設計和尋找具有優異拓撲、磁學、介電性質的二維材料提供新的契機。

文章亮點

1. 建立了二維過渡金屬化合物中雙陰離子配體調控材料原子結構及電子結構的理論模型。

2. 通過研究所預測的二維釩基雙陰離子過渡金屬化合物VXY(X = B, C, N, O, F; Y = F, Cl, Br, I)的電子結構及磁學性質，證實了所構建的理論模型。

3. 預測了多個結構穩定的，具有高居里轉變溫度的節線環鐵磁半金屬、高介電係數的介電體等二維材料。

內容介紹

本工作針對過渡金屬化合物，根據雙陰離子配體的電子數及電負性，建立了雙陰離子調控材料原子結構及電子結構的理論模型。以八面體晶體結構單元為例，引入異陰離子配體，導致八面體發生結構扭曲，原本簡併的t2g和eg軌道發生劈裂（圖1a-b），進一步通過改變陰離子配體的電子數和電負性可調控材料的能帶結構，產生多樣性的電子結構與磁學性質，包括非磁金屬、非磁半導體、磁性金屬、磁性半導體、磁性莫特絕緣體等（圖1c-d）。

圖 1. (a-b) 在雙陰離子配體下八面體結構發生扭曲，簡併軌道發生劈裂，(c) d⁰和dⁿ體系下態密度的示意圖，(d) d⁰和dⁿ體系下電子結構示意相圖，(f) VXY (X = B, C, N, O, or F; Y = F, Cl, Br, or I)晶體的結構示意圖。

理論計算表明，將雙陰離子調控應用於具體材料體系二維釩基雙陰離子材料VXY中（圖1f），在不同雙陰離子條件下，二維VXY晶體呈現豐富的能帶結構，符合我們的理論預期。其中，d⁰體系的VCBr晶體屬於Dirac拓撲半金屬，當考慮自旋軌道耦合後，打開一個約94 meV的帶隙，存在非平庸的表面態（圖2a）。d¹體系的VNBr晶體屬於鐵磁節線環半金屬，V原子上的局域磁矩約為1 μB，其鐵磁轉變溫度約為161 K，並且其費米面附近的節點環受面外鏡面滑移對稱操作保護（圖2b）。d²體系的VOY晶體具有較大的帶隙和較大的介電常數，可作為場效應晶體管中的介電層（圖2c）。