中山大學呂樹申/陳楷炫ChemPhysChem: 基于第一性原理的高陳數量子反常霍爾絕緣體Mn2Bi2O6及其與BN耦合的多層異質結構研究

【研究背景】

量子霍爾效應（QHE）中無耗散的邊緣態為降低電子器件中的能耗提供了一條有前景的途徑。然而，QHE需要強外部磁場和極低的工作溫度，這限制了其實用性。1988年，Haldane提出了一種機制，即在沒有外部磁場的情況下，通過量子反常霍爾效應（QAHE）實現。磁性拓撲材料結合了磁性和拓撲特性，是實現QAHE的理想平臺。這種效應通常在打破時間反轉對稱性的材料中觀察到，其中系統的磁矩和自旋-軌道耦合（SOC）之間的相互作用導致非平凡的拓撲電子結構。這類材料以其手性無耗散邊緣態為特征，為高速低能耗自旋電子器件鋪平了道路。在實驗中，QAHE通常通過在三維拓撲絕緣體中摻雜磁性元素實現長程鐵磁（FM）序。然而，這種方法需要在極低溫度下實現。另一種方法涉及利用磁性接近效應，通過構建磁性材料與拓撲絕緣體之間的異質結來誘導QAHE。這種方法通過磁性層與拓撲絕緣體表面態之間的相互作用打開磁隙。然而，磁序與拓撲態之間的相互作用在結構上較弱且對界面性質高度敏感，導致實驗進展緩慢。成功實現的磁性拓撲絕緣體MnBi₂Te₄展示了實現多種奇異量子態的潛力，然而QAHE在實驗實現過程中溫度仍然較低。近年來，本征二維磁性拓撲材料在理論計算領域被廣泛準確預測。在本研究中，我們基于實驗上已合成的Ru₂SrO₆結構，采用第一性原理計算方法實現了類似結構的二維單層Mn₂Bi₂O₆，并證明其是熱力學和動力學穩定的，考慮面外鐵磁的能帶特性，進一步研究了它的電子結構，磁性，拓撲性質，進一步探索豐富了未來低能耗電子期間的潛在候選者。

【工作介紹】

近日，中山大學呂樹申教授和陳楷炫副教授等人利用第一性原理計算方法，提出了一種新型二維鐵磁單層材料Mn₂Bi₂O₆，并系統地研究了該體系的晶體結構，電子結構，磁性和拓撲性質。基于第一性原理計算，研究表明二維Mn₂Bi₂O₆層材料在自旋軌道耦合（SOC）作用下可實現高達110 meV的非平庸能隙，基于蒙特卡洛模擬得到的居里溫度為285K，并伴隨陳數為3的量子反常霍爾態，意味著該體系具有三個本征手性邊緣態。進一步構建由hBN作為間隔層的三層異質結構Mn?Bi?O?/BN/Mn?Bi?O?后，體系的總陳數提升至6，同時帶隙也進一步擴大至117.4 meV，意味著對外界具有更好的抗干擾性能。此外，研究還嘗試構建Mn₂Bi₂O₆的Janus結構Mn?Bi?O?Te?，發現該調控方式會導致拓撲態和陳數發生轉變，陳數為1。這一工作不僅引入了新的磁性拓撲候選材料，擴展了QAHE材料的種類，還為低功耗電子設備和拓撲量子計算實現建立了新的候選平臺。該文章發表在物理化學領域專業期刊ChemPhysChem（2025, e2500161,?DOI: 10.1002/cphc.202500161），中山大學碩士生胡佳明為本文第一作者。

【內容表述】

1. 計算方法

所有電子、自旋磁性及拓撲性質的計算均采用Vienna Ab-initio Simulation Package（VASP）程序，使用投影增強贗勢方法和Perdew–Burke–Ernzerhof（PBE）泛函近似。為了準確描述過渡金屬Mn的電子性質，采用了GGA+U方法，有效庫侖作用參數U值設定為4.0 eV，依據已有文獻。為減少周期性結構間的相互作用，引入了20 ?的真空層。平面波能量截斷設置為500 eV。結構弛豫的優化標準是每個原子的Hellmann–Feynman力小于0.02 eV·??1，且連續電子步之間的能量變化小于10?? eV。k點采樣采用12 × 12 × 1的Γ點居中Monkhorst-Pack網格。在多層體系中考慮范德瓦爾斯相互作用時，采用Grimme的DFT-D2方法。聲子譜通phonopy程序計算，采用了2 × 2 × 1的超胞。分子動力學模擬在300 K恒溫條件下進行，總時長為4 ps，采用了2 × 2 × 1的超胞體系。Berry曲率與Chern數通過VASPBERY程序計算，邊緣態與反常霍爾電導則使用Wannier90與WannierTools程序進行分析，并結合格林函數方法計算半無限體的拓撲性質。居里溫度通過Monte Carlo方法估算，使用的是mcsolver程序實現。

1. 結果與討論

圖1：（a-b）單層Mn₂Bi₂O₆的晶體結構。 (c-d)不考慮自旋軌道耦合（SOC）效應以及考慮SOC時的能帶。（e）考慮SOC后Mn的軌道投影態密度。（f）考慮SOC后O的投影態密度。

圖1展示了單層Mn₂Bi₂O₆的晶體結構和電子性質。該結構呈蜂窩狀晶格，以Bi，O，Mn，O，Bi順序堆積，屬于P31m空間群，具有繞z軸的C₃反演對稱性，由能帶圖可知不考慮SOC時為狄拉克半金屬態，考慮SOC后打開了110meV的能隙，Mn的d軌道可以分為三組，分別為，（，）以及（，），O的p軌道分為和（，）。費米能級附近的貢獻主要為Mn的（，）軌道與O的軌道的耦合貢獻。?

圖2：單層Mn₂Bi₂O₆的拓撲性質（a）邊緣電子態密度（b）倒空間的貝里曲率分布。（c）費米能級附近的量子化的導電平臺。

圖2顯示了二維單層Mn₂Bi₂O₆沿 (1 0 0) 方向的相應的半無限納米帶的拓撲性質計算結果，其中在Г(0, 0, 0) 點附近可以觀察到一個手性邊緣態，在X (0.5, 0, 0)點附近有兩個邊緣態，總共有三個邊緣通道。在費米能級附近出現了量子化的導電平臺，且反常霍爾電導由公式得到，結果也印證了，即陳數為3。貝里曲率沿布里淵區的高對稱線內對稱分布，在高對稱點附近可以觀察到非零值。陳數C是根據整個布里淵區的貝里曲率積分計算得出的，通過對布里淵區的非零貝里曲率積分，可以得到一個整數。

圖3： Mn₂Bi₂O₆/BN/Mn₂Bi₂O₆結構示意圖，電子和拓撲性質（a） 主視圖（b）俯視圖（c）能帶（d）導電邊緣態（e）量子反常霍爾電導（f）貝里曲率

實驗上，經常通過堆疊陳數為1的二維單層材料來實現更高的陳數，對于本身具有高陳數C=3的二維單層材料，堆疊后同樣是否能實現更高陳數，實驗上目前較少實現。基于第一性原理計算，本研究構造了Mn₂Bi₂O₆/BN/Mn₂Bi₂O₆異質結進一步探索拓撲性質。純雙層Mn₂Bi₂O₆的基態為反鐵磁態，并且鐵磁態下能帶的帶隙非常小，為了進一步擴大體能隙，但拓撲導電邊緣態仍然存在，我們在兩個單層Mn₂Bi₂O₆之間加入BN絕緣層來構建異質結構，該體系基態為鐵磁態，并實現了117.4meV的能隙，大于室溫能標。進一步的拓撲計算表明，該體系有六個手性導電邊緣態，為單層材料的兩倍，通過貝里曲率積分得到的陳數為 C = 6，量子反常霍爾電導在費米能級附近也顯示出量子化的導電平臺。

圖4：二維單層Mn₂Bi₂O₆的Janus結構電子和拓撲性質。（a）俯視圖（b）主視圖（c）Mn₂Bi₂O₃Te₃的能帶（d）Mn₂Bi₂O₃Te₃導電邊緣態（e）對應的量子反常霍爾電導（f）貝里曲率在倒空間的分布

將S，Se，Te取代Mn₂Bi₂O₆上層的三個O原子后的結構，如圖4所示，主要研究對稱性破缺后拓撲性質的變化。Janus結構Mn₂Bi₂O₃S₃存在三條手性邊緣態，反常霍爾電導為，對應的陳數為3，與單層Mn₂Bi₂O₆的拓撲性質相同。Janus結構Mn₂Bi₂O₃Se₃在能隙中則不存在手性邊緣態，對應的反常霍爾電導為0，陳數為0，為普通的半導體。Mn₂Bi₂O₃Te₃的拓撲性質實現了3到1的轉變，如圖4（d-f）所示，邊緣態的數目為1，量子反常霍爾電導在費米能級附近呈現出e²/h的導電平臺，貝里曲率如圖（f）所示，在布里淵區的積分得到陳數為1。這與單層Mn₂Bi₂O₆相比，全局帶隙為156.4meV（圖c），實現了更大帶隙陳數為1的量子反常霍爾系統。

【結論】

我們基于第一性原理計算，提出并系統性地研究了一種高陳數量子反常霍爾絕緣體，二維Mn?Bi?O?單層。單層Mn₂Bi₂O₆表現出陳數C=3和顯著的帶隙（110 meV），使其成為在實驗溫度下實現量子反常霍爾效應的有前景候選材料。通過與hBN構建多層異質結構，陳數可進一步提升至C=6，同時帶隙增強至117.4 meV，遠大于室溫能標。在Mn₂Bi₂O₆中進行等同族元素摻雜能實現拓撲調控，實現C=3到C=1的陳數轉變。這些發現擴展了可實現QAHE的材料體系，為低功耗電子器件、自旋電子學以及拓撲量子計算等未來應用鋪平了道路。