頂刊動態 | Nature子刊/PRL計算材料學術進展匯總【160630期】

本期導讀：今天計算材料組邀您一起閱讀計算材料領域最新的研究進展。內容預覽：1、計算篩選和高壓合成發現地球富足氮化物；2、二維形狀記憶石墨烯氧化物；3、多軌道莫特系統的自發自旋；4、非周期性弱拓撲超導體；5、2D電子系統中奇頻超導電性的一般條件；6、MoS2基底上鍺烯的結構和電子特性；7、從第一性原理解釋MOS2中鍺烯 Z2的不變性。

1、Nature Communications: 計算篩選和高壓合成發現地球富足氮化物

圖1 理論計算的三元鋅氮化物的電子性質：(a)能隙和(b)有效質量

氮化物半導體因為具有環境友好型，由富足元素組成和良好的電子性質等特點，備受眾多科學家的關注。盡管氮化物有著豐富的組成層分空間，但是，目前市售的氮化物僅限于氮化鎵及其合金。因此，發現其他組分的氮化物也是發展半導體器件的一種可能方向。

日本京都大學Fumiyasu Oba（通訊作者）和東京工業大學Hideo Hosono（通訊作者）利用電子結構、穩定性和摻雜等特點的第一性原理計算，實現了三元鋅氮半導體的篩選。這種方法確定了目前尚未報道的CaZn2N2，該物質擁有地球上資源豐富的元素組分、比氮化鎵還要低的載流子有效質量和適用于發光和光捕獲的可調直接帶隙等特點。并且，研究者利用高壓合成制備CaZn2N2，驗證了所預測的晶體結構和帶邊紅色光致發光。最后，研究者提出一個有前景的系統，包括Ca2ZnN2、Ba2ZnN2和Zn2PN3，以及之前未報道過的半導體。憑借這些確定化合物寬范圍的帶隙，該項工作增強了氮化物半導體在電子、光電子和光伏領域的潛力適用性。

文獻鏈接：Discovery of earth-abundant nitride semiconductors by computational screening and high-pressure synthesis（Nature Communications ，2016，DOI: 10.1038/ncomms11962）

2、Nature Communications: 二維形狀記憶石墨烯氧化物

圖2 石墨烯氧化物C8O的晶體結構

形狀記憶材料（SMMs）的主要特征就是在合適的外界刺激下，顯著變形后的SMMs可以恢復到初始形狀。這個有趣的現象源自于材料的可逆相變。在微納米技術不斷增長的需求驅動下，納米尺度下的刺激-響應形狀記憶材料吸引了眾多科學家的深入研究。然而，當傳統形狀記憶材料的尺寸縮減到納米范圍，材料的形狀記憶效應會減小。

澳大利亞莫納什大學Wenyi Yan（通訊作者）和Jefferson Zhe Liu（通訊作者）等人利用密度泛函理論計算，在具有有序環氧基團的二維石墨烯氧化物C8O晶體中發現了形狀記憶效應。在兩個固有穩定相的可逆相變作用下，材料的最大可恢復應變達到14.5%。計算結果顯示，兩個穩定相在一個連貫晶格中的共存，使得在單個材料中共建多個臨時形狀的可能性，從而實現高度期望可編程性。憑借具有原子層厚度，優異的形狀記憶機械性能和電場刺激響應等特點，二維形狀記憶石墨烯氧化物的發現開啟了發展微納機電器件的大門。

文獻鏈接：Two-dimensional shape memory graphene oxide（Nature Communications，2016，DOI:10.1038/ncomms11972）

3、PRL：多軌道莫特系統的自發自旋

圖3 軌道耦合模式示意圖

充電電流與自旋極化的互相操控，可以被應用于自旋電子器件。其主要作用是通過在非中心對稱系統的自旋-軌道耦合來實現的。非中心對稱晶體中的自旋-軌道耦合引起布洛赫態在給定K點的簡并和鎖定其動量及自旋極化，從而產生倒易空間的自旋紋理。這個機制中產生了很多有趣的現象，比如鐵磁自旋扭矩、反鐵磁體、物質拓撲態和基于自旋電偶作用的倒易空間自旋紋理。電子偶聯可以提供自旋極化和充電電流的耦合。

捷克科學院物理研究所J. Kune（通訊作者）研究由于電子偶聯驅動的自發對稱破缺引起的K空間自旋紋理的自發形成機理。利用動力學平均場理論，研究者發現對自旋三重態絕緣體摻雜提供了創造具有獨特性質的新型熱動力學相的方法。并且，研究者在廣義雙交換框架內的分析計算對模擬數值結果做出了解釋。

文獻鏈接：Spontaneous Spin Textures in Multiorbital Mott Systems（Physical Review Letters，2016， DOI: 10.1103/PhysRevLett.116.256403）

4、PRL：非周期性弱拓撲超導體

圖4 哈密頓量HQC總波函數振幅

拓撲相的顯著特征之一是存在對局域微觀環境的擾動或隨機調制不敏感的量化宏觀觀測量。這個顯著特征可以通過量化觀測塊材體系中基本微觀理論中的拓撲不變量，在不閉合塊材能隙的任意局域變形作用下，都不發生變化來理解。最熟悉的例子就是，量子霍爾效應的橫向電導率: 由于拓撲保護，其展現了被用來定義電阻計量標準的量化水平。弱拓撲相通常被保護下的晶格平移對稱性來描述。由于弱不變量以動量空間中的圓環表示，其特征明確依賴于周期性。

以色列魏茨曼科學研究所I. C. Fulga（通訊作者）等人證明了具有非周期特征的弱拓撲超導體的兼容性，比如準晶。研究者摒棄了弱拓撲相的傳統描述方法，提出了一種基于克里福德偽譜的弱不變量的新型實空間描述方法。該指數的非平凡值代表著一個非平凡的塊材相，比邊緣無序局域零能量模式具有更好的魯棒性。該方法在確定若不變量方面，直接應用于任何有限尺寸系統，包括無序晶格模型。這種直接方法能夠對拓撲保護的無序水平進行定量分析。

文獻鏈接：Aperiodic Weak Topological Superconductors（Physical Review Letters，2016， DOI: 10.1103/PhysRevLett.116.257002）

5、PRL: 2D電子系統中奇頻超導電性的普適條件

圖5 (a)過渡金屬硫化物(TMDs)的單層結構和(b)超導體上的TMD單層片狀脫落形成異質結構示意圖

低維異質結構是一種具有很大發展前景的新技術，它可以使我們獲得許多非常規的量子態，如新形式的超流動性、旋紋理操作和非常規超導（SC）等。近年來，雖然在低維異質結構和層狀異質結構合成中對各種非常規態有了一些初步認識，但這些了解僅僅是冰山一角。因此，對這些非常規態進一步研究，了解它們的電子性質十分重要。

美國威廉與瑪麗學院的E. Rossi（通訊作者）等人通過2D系統和超導體的最小假設，在2D電子系統的接近耦合超導體中研究了奇頻超導配對的普適條件，發現VI族過渡金屬硫化物的單層結構可形成一個簡單的異質結構。同時還研究了在范德華異質結構中的新系統的識別，發現在新系統中存在奇頻的超導電性。

文獻鏈接：General Conditions for Proximity-Induced Odd-Frequency Superconductivity in Two-Dimensional Electronic Systems（Physical Review Letters，2016，DOI: 10.1103/PhysRevLett.116.257001）

6、PRL: MoS2基底上鍺烯的結構和電子特性

圖6 MoS2/鍺烯結構的掃描隧道顯微鏡圖

鍺烯是由單層鍺原子形成的材料，該材料以類似于硅烯和石墨，高真空和高溫條件下，在襯底上沉積鍺原子層而合成。隨著石墨烯sp2軌道的雜化單層碳原子處于穩定態的發現，科學領域取得了很大的突破。通過狄拉克方程可知石墨烯的電子特性為無相對質量的費米子，從而可以設想具有相似電子結構的硅、鍺等元素也具有類似于 “鍺烯”的同素異構體。目前，石墨烯硅模擬、石墨烯錫模擬等材料尚未在自然界中發現，因此這類2D材料只能人工合成。

荷蘭特溫特大學的H. J. W. Zandvliet（通訊作者）等人研究了MoS2基底上鍺烯的結構和電子特性。因為鍺烯費米能級附近的重要電子態可以與金屬襯底的電子態的雜交，所以金屬襯底上的鍺烯通常有害而無利，但MoS2表面缺陷有利于鍺烯形核。通過掃描隧道顯微鏡觀察和密度泛函理論計算可知在K點存在著線性分散帶，在Γ點存在兩個拋物帶穿過費米能級。

文獻鏈接：Structural and Electronic Properties of Germanene on MoS2（Physical Review Letters，2016，DOI: 10.1103/PhysRevLett.116.256804）

7、PRL：從第一性原理解釋MOS2襯底上鍺烯Z2的不變性

圖7 ?在K點附近AS p-C|MoS2和AS b-Ge|MoS2雙層帶狀結構圖

通過不連續的拓撲不變量可以對絕緣體進行分類，當這些不變量發生變化時，會出現一些令人興奮的物理現象。當把一些不變量用在描述強磁場中電子的量子霍爾效應時，在時間反演對稱系統會出現新的“拓撲”絕緣體（TI），其中有兩個不變量的拓撲普通系統被稱為Z2拓撲絕緣體。早期Kane和Mele的2D石墨烯研究中，自旋軌道耦合（SOC）可能導致處于狄拉克點處的間隙引起自旋極化邊緣態的拓撲保護。

荷蘭特溫特大學的Paul J. Kelly（通訊作者）等人提出了廣義的哈密頓低能量，是為了解釋鍺烯（Ge）的能帶如何由覆蓋層或基底的相互作用而發生改性。通過Ge| MoS2雙層結構和MoS2|Ge| MoS2三層結構的第一性相對論計算確定了哈密頓參數和該系統的拓撲性質。從最低能量角度看，鍺烯的結構與強烈依賴MoS2層（多層）取向的間隙單層鍺原子相連接，拓撲雙層和三層結構間大約差一個單層鍺原子層。

文獻鏈接：Z2 Invariance of Germanene on MoS2 from First Principles（Physical Review Letters，2016， DOI: 10.1103/PhysRevLett.116.256805）

本期文獻匯總由材料人編輯部計算材料組靈寸和大白供稿，材料牛編輯整理。

歡迎試用材料人代理的天河2號超級計算機；參與計算材料話題討論，請加入材料人計算材料群（562663183）；參與計算材料文獻解讀和文獻匯總及計算材料知識科普等，請加入材料人編輯部計算材料組（報名請戳我）。