計算材料前沿研究成果精選|Phys. Rev. Lett.專刊（4月）

材料人推出計算材料成果匯編（月刊），報道計算材料相關重大成果。本篇為Physical Review Letters專刊。

1、 僅由電子溫度驅動的閃鋅礦結構半金屬拓撲相變

圖1：用LDA和EXX計算得到不同溫度下的GaBi能帶結構

近日，德國埃爾朗根-紐倫堡大學的Andreas G?rling教授課題組發現發現閃鋅礦半金屬的電子相變產生可以僅由于電子溫度的變化，而不需要包含結構轉變或電子-聲子耦合。常用的Kohn-Sham密度泛函方法基于局域和半局域密度泛函使用LDA或GGA方法。然而，由于缺少本征溫度依賴性，并考慮到溫度僅對能帶的占據起作用，會必然導致費米能級的轉變，而不發生能帶形狀或拓撲學變化，常用方法不能描述上述現象。Kohn-Sham方法適用恰當的溫度依賴交換勢，不受Hartree-Fock交換勢的影響，另一方面，可以描述這樣的相變。相干效應的簡單模型可以通過對交換進行監測。在所研究的閃鋅礦化合物中，BDT在低溫不穩定，向電子態的轉變無QBT發生。Kohn-Sham方法可以假設他們基于比LDA或GGA更準確的泛函，描述這一拓撲相變，此外，電子溫度被視為調控拓撲材料的一個切入點。

文獻鏈接：Topological Phase Transitions in Zinc-Blende Semimetals Driven Exclusively by Electronic Temperature（Phys. Rev. Lett.，2018，DOI：10.1103/PhysRevLett.120.146401）

2、 多鐵性BiFeO3中的鱗狀圓形疇的磁場調控和電極化

圖2：垂直于鱗狀圓形疇的反鐵磁序

匈牙利布達佩斯工業和經濟大學的S. Bordács（第一作者）發現室溫多鐵性BiFeO3單晶體的鐵電疇，用小角中子衍射觀察，可發生磁場誘導鱗狀自旋結構重排。當超出釘扎閾值（~5T)磁場垂直于極化軸放置時，鱗狀擴展矢量會發生旋轉。鑒于以上實驗結果，本文提出一個唯象模型，捕捉鱗狀疇的重排，并再次討論了磁電效應的微觀起源。本文提出磁各向異性和極化之間一種新的耦合，用于解釋最近發現的垂直于菱方軸向的磁電極化。

文獻鏈接：Magnetic Field Control of Cycloidal Domains and Electric Polarization

in Multiferroic BiFeO₃（Phys. Rev. Lett.，2018，DOI：10.1103/PhysRevLett.120.147203）

3、IV-VI族黑磷類似物和熱電半導體SnSe的能帶結構

圖3：平行于SnSe層的動量平面的角分辨光電子能譜密度分布圖

美國普林斯頓大學/布魯克海文國家實驗室的I. Pletikosi?研究員（通訊作者）在文章中提到，黑磷在快速電子和光子設備上的成功受阻，是由于其在氧氣下會發生快速劣化。硬度高、等電子數且和黑磷結構相同的正交相SnSe是IV-VI族二元化合物的典型代表。作者測量了SnSe的能帶結構，發現高度各向異性的價帶，形成幾個能谷，在層內快速色散，層間色散可忽略不計。這種能帶結構正是有效熱電器件所需要的。

文獻鏈接：Band Structure of the IV-VI Black Phosphorus Analog and Thermoelectric SnSe（Phys. Rev. Lett.，2018，DOI：10.1103/PhysRevLett.120.156403）

4、大氣壓下硅的超導開放結構同素異形體

圖4：不同組分比的Na1-xSix在10GPa和20GPa下的穩定和亞穩構型的生成焓

基于現代半導體技術，金剛石結構的Si是有直接帶隙的半導體。盡管用金剛石壓砧，可觀察到Si的許多亞穩態形式，合成時可進一步壓縮或作為化學前驅體，但常壓下金屬相還未得到報道。韓國高等科學技術院的K. J. Chang（通訊作者）報道了常壓下具有開放通道的純金屬硅同素異形體，不同于立方金剛石結構的共價鍵合網絡。金屬相命名為P6/m-Si₆，可以在一種新型Na-Si籠型化合物P6/m-NaSi₆的壓力釋放后，移除Na來獲取。該現象可通過在高壓下的第一性原理計算進行預測。作者發現P6/m-NaSi₆和P6/m-Si₆均為穩定相，在約為13和12K的臨界溫度時具有常壓超導性。這種新的Na-Si和Si籠型化合物結構的預測，展現了探索新型無毒同素異形體的硅基器件的可能。

文獻鏈接：Superconducting Open-Framework Allotrope of Silicon at Ambient Pressure（Phys. Rev. Lett.，2018，DOI：10.1103/PhysRevLett.120.157001）

5、界面Dzyaloshinskii-Moriya相互作用：5d能帶填充效應以及自選混合電導的關聯

圖5：布里淵散射（BLS）技術的測試結構示意圖及Damon Eshbach自旋波的BLS譜

在重金屬和鐵磁金屬界面的 Dzyaloshinskii-Moriya相互作用（DMI）被視為電子自旋應用中的關鍵要素。美國德克薩斯大學奧斯汀分校/加利福尼亞大學的Xin Ma（通訊作者）研究了重金屬元素的5d能帶全滿時，在重金屬/鐵磁金屬多層薄膜中DMI的化學傾向。DMI可以通過布里淵光散射技術測量非對稱自旋波色散，進行定量評估。考慮界面處5d和3d能帶對齊和隨后費米能級周圍的軌道雜化，可定量理解化學趨勢。此外，作者還發現了界面處DMI和有效自旋混合電導的關聯。研究結果為界面DMI研究進而設計未來的電子自旋器件提供了新想法。

文獻鏈接：Interfacial Dzyaloshinskii-Moriya Interaction: Effect of 5d Band Filling and Correlation with Spin Mixing Conductance（Phys. Rev. Lett.，2018，DOI：10.1103/PhysRevLett.120.157204）

6、單層FeSe中的光誘導II型能帶反轉和量子反常霍爾態

圖6：輻照下FeSe的能帶與能隙演化情況

量子反常霍爾（QAH）態和超導態的耦合為探測隱含拓撲超導態的信號提供了一個極具吸引力的方法，但其解釋被磁性摻雜QAH材料中的無序效應所籠罩。另一方面，反鐵磁量子自旋霍爾（QSH）態被視為典型的高溫二維超導體，如單層FeSe。中國科學技術大學的王征飛教授團隊和美國猶他大學/量子物質科學協同創新中心的劉峰教授團隊合作，在單層FeSe中進行光誘導II型能帶反轉和QSH-QAH相變。研究發現，本征自選軌道耦合導致的I型能帶反轉，翻轉奇數次，屬于時間反演對稱。對比之下，II型能帶反轉來源于光誘導手性依賴的有效自旋軌道耦合，翻轉偶數次不遵循時間反演對稱。兩個自旋軌道耦合項之間的相互作用，使得反鐵磁量子自旋霍爾態自旋向上和向下能帶對循環偏振光的響應相反，致使II型能帶反轉和外來拓撲相變發生。這些發現為無磁性摻雜的單一材料中探測Majorana費米子提供了大好機遇。

文獻鏈接：Light-Induced Type-II Band Inversion and Quantum Anomalous Hall State in Monolayer FeSe（Phys. Rev. Lett.，2018，DOI：10.1103/PhysRevLett.120.156406）

7、非晶態碳四面體中高sp3含量的生長機制和起源

圖7：60eV系統的表面粗糙度和原子層結構分析

近日，芬蘭阿爾托大學的Miguel A. Caro博士通過分子動力學模擬研究了四面體非晶碳薄膜的沉積，模擬基于機器學習原子相互作用勢是通過對密度泛函理論數據訓練得到的。首次，實驗觀察到超過85%的高sp³比例，通過計算機模擬得以重現，薄膜特征與沉積能的依賴關系也可被準確描述。勢函數的準確性和原子間相互作用的直接獲取使得作者可以推斷材料的微觀生長機制，所謂的“錐尖”模型實際上是獲得高sp³含量的主導機制。以上依靠前所未有的預測能力得到的結果，為碳納米結構形成的微觀理解開啟了一扇新大門。

文獻鏈接：Growth Mechanism and Origin of High sp³ Content in Tetrahedral Amorphous Carbon（Phys. Rev. Lett.，2018，DOI：10.1103/PhysRevLett.120.166101）

8、借助離軸電子全息技術對FeGe納米條紋中磁性表面和邊態的定量化分析

圖8：手性磁體的磁邊界態的示意圖

盡管理論研究已經揭示在手征磁體中磁性表面和邊態對Skyrmonic自旋織構的重要影響，相關的試驗研究仍然比較模糊。近日，中科院物理所/德國于利希研究中心的李子安老師通過離軸電子全息技術研究FeGe納米帶的手性邊態。結果揭示了磁場驅動的手性邊態的形成，穿透強度達到95和240K。飽和磁化強度的值通過分析平面內螺旋子和孤立子的磁化強度分布確定，孤立子的磁化強度值相對較低。作者將這一差異歸因于手性表面態的存在，該表面態可對三維Skyrmion模型理論預測得到。實驗提供了磁性手征邊界態的直接定量測量手段，突出了先進電子全息技術在納米結構中復雜自旋織構研究的應用。

文獻鏈接：Quantification of Magnetic Surface and Edge States in an FeGe Nanostripe by Off-Axis Electron Holography（Phys. Rev. Lett.，2018，DOI：10.1103/PhysRevLett.120.167204）

9、電中性的兩重雙層石墨烯-WSe2異質結的明顯增強隧穿效應

圖9：異質結圖示和光學顯微成像及電學性能

近日，美國德克薩斯大學奧斯汀分校的Emanuel Tutuc教授通過實驗觀察發現，若石墨烯雙分子層之間分布著極性相反、密度相同的載流子，通過WSe2能壘的石墨烯雙分子層間的隧道效應會明顯增強。這種隧道效應的提高隨溫度降低在強度上明顯增加，溫度為1.5K時，隧道電流隨層內電壓變化而變化，呈垂直開啟形式。總體電中性時，明顯的增強隧道效應嚴重偏離單粒子模型計算，二和測得的隧道電流-電壓關系很好地匹配，表明在兩層間分布的電子和空穴等密度時，會有伴隨著凝聚態雙分子層間激發的多體態的產生。

文獻鏈接：Strongly Enhanced Tunneling at Total Charge Neutrality in Double-Bilayer Graphene-WSe₂ Heterostructures（Phys. Rev. Lett.，2018，DOI：10.1103/PhysRevLett.120.177702）

10、一維納米線中的熱電功率因數限制

圖10 側邊有焦耳熱源的InAs納米線背柵場效應晶體管的形貌，以及裝置和電路簡圖

在過去的十年里，一維納米線的熱電性能的潛在應用受到了極大關注，但實際上基于一維效應找到高熱電功率因子仍是一個挑戰。近日，瑞典隆德大學的I-Ju Chen博士和 Claes Thelander教授指出，非彈道式的一維納米線的熱電功率因子存在一個上限，從而產生了最近建立的熱電功率輸出的量子束縛。對準彈道式InAs納米線展開實驗，測試這一極限，發現測得的最大功率因子和理論極限值為何。這一極限，可基于納米線維度和平均自由路徑，預測特定納米線材料體系一維電子輸運可達到的功率因子。小橫截面和高晶體質量的先進半導體納米線的功率因子，可以預見在低溫時高度競爭。然而，在塊體材料或室溫以上的時候，沒有明顯優勢。

文獻鏈接：Thermoelectric Power Factor Limit of a 1D Nanowire（Phys. Rev. Lett.，2018，DOI：10.1103/PhysRevLett.120.177703）

本文由材料人計算材料組Isobel供稿，材料牛整理編輯。

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