頂刊動態 | Nature子刊/PRL/Nano Letters等計算材料學術進展匯總【第7期】

內容預覽：對穿過二維材料場效應滲透的多尺度分析；固體表面附近電解質水溶液的原子分辨三維結構；鐵基超導體表面的拓撲超導相；黑磷中反常的帶隙溫度依賴性；層狀超導體中的平面餅渦旋驅動的折返動力學；純凈硅表面支持的磁性狄拉克費米子和陳省身絕緣子；硼化鎂納米管中的電荷轉移和負曲率能量；多成分納米復合材料界面中絲素蛋白-基底間的相互作用；透射電子顯微鏡法映射原子軌道——從第一性原理出發研究石墨烯的缺陷。

1、 Nano Letters：對穿過二維材料場效應滲透的多尺度分析

圖1 量子電容器(QC)的結構示意圖和能帶示意圖

柵調諧二維（2D）材料量子電容器（QCS）和范德瓦爾斯異質結構通過場效應調節輸運特性和光電特性。最近的研究將柵調諧特性歸結于緊鄰介質層的2D材料層費米能級的改變，但是在這些研究中透過單分子厚度材料的場效應滲透效應被忽視或過于簡化了。

瑞士蘇黎世聯邦理工學院的Chih-Jen Shih（通訊作者）和英國貝爾法斯特女王大學的J. G. Santos（通訊作者）等人結合了第一性原理電子結構計算和泊松-波爾茲曼方程方法的多尺度理論分析，建立了在金屬-氧化物-石墨烯-半導體（MOGS）量子電容器中穿過石墨烯層的場效應滲透模型，其中包括了石墨烯二維電子氣（2DEG）對電位儀“通透”程度的量化。研究發現，半導體層中的空間電荷密度可以通過柵極進行非線性的調制，在半導體/石墨烯界面形成積累層或反型層。透明度是由石墨烯量子電容和半導體電容共同作用決定的，這使我們能夠預測當多數載流子為電子時電位移下各種二維材料的透明度并排名如下：石墨烯 > 硅烯 > 鍺烯 >WS2> WTe2 >WSe2 >MoS2 > 磷烯 > MoSe2 > MoTe2。

文獻鏈接：Multiscale Analysis for Field-Effect Penetration through TwoDimensional Materials（Nano Letters，2016，DOI: 10.1021/acs.nanolett.6b01876）

2、 Nature Communications：固體表面附近電解質水溶液的原子分辨三維結構

圖2 云母電解質溶液界面的三維圖像

界面液層涉及到很多范圍的現象，如潤濕、黏附、表面電化學、納米流變、納米光刻、生物礦化、蛋白質動力學或蛋白質折疊和分子識別。固體表面附近的液體形成的界面層，其中的分子結構是與體材料時不同的。

西班牙國家研究委員會（CSIC）的Ricardo Garcia（通訊作者）等人報道了云母表面附近電解質溶液的原子分辨率三維圖像，它顯示存在三種類型的界面結構。在低濃度下（0.01-1 M），陽離子被吸附到云母上，陽離子層被一些水化層覆蓋。在較高濃度時，界面層向液體中延伸幾個納米。這涉及到陽離子層和陰離子層的交替。流體密度泛函計算表明，水分子是穩定界面層結構的一個關鍵因素。界面層穩定為與類液體離子以及溶劑流動性相容的類晶體結構。在飽和時，將會析出一些離子并在云母上形成小晶體。

文獻鏈接:?Atomically resolved three-dimensional structures of electrolyte aqueous solutions near a solid surface （Nature Communications，2016，DOI: 10.1038/ncomms12164）

3、PRL：鐵基超導體表面的拓撲超導相

圖3 TSC相空間和快材超導體能隙

作為用于實現馬約拉納費米子的最簡單的系統之一， 拓撲超導體在凝聚態物理和量子計算領域起著非常重要的作用。

斯坦福大學Shou-Cheng Zhang（通訊作者）和Xiao-Liang Qi（通訊作者）等人利用從頭計算方法，及有效八能帶模型和超導配對的分析，證實了三維擴展S波鐵基超導體（比如Fe1+ySe0.5Te0.5）具有一個金屬拓撲相的、非常規的能帶結構，通過調諧塊材的載流子摻雜水平，可以在(001)表面實現正常拓撲相-正常超導相的轉變。在拓撲超導（TSC）相，一個馬約拉納零模式被捕獲在一個磁渦流線的端部。進一步研究表明，表面TSC相僅存在達到某一配對能隙的塊材中，并且第一次發現由溫度驅動正常拓撲相的轉變。該工作為在一大類超導體中發現TSC和馬約拉納費米子提供了一種有效的方法。

文獻鏈接：Topological Superconductivity on the Surface of Fe-Based Superconductors（Physical Review Letters，2016，DOI: 10.1103/PhysRevLett.117.047001）

4、Nano Letters：黑磷中反常的帶隙溫度依賴性

圖4 黑鱗原子結構模型示意圖，以及理論和實驗上的黑鱗帶隙熱依賴性數據

黑磷以其獨特的各向異性的電學和光學性質引起了人們的關注，這些性質可以在很廣泛的技術領域中運用。從某種意義上來講，熱學性質在預測黑鱗室溫工作狀態和決定其熱電勢上是特別重要的。從這個角度來看，一個最引人注意卻又知之甚少的現象是由溫度引起的帶隙開裂，當溫度上升時，基本帶隙是增加的而不是減少的。而且，最近在單層黑鱗中也觀察到了這種反常的熱依賴性。

意大利的Cesar E. P. Villegas（通訊作者）團隊基于從頭計算法，提出了一個解釋，來說明這個長期已知的，但還沒完全得到解釋的效應。他們分別研究了諧波（電子-聲子耦合）的貢獻和晶格熱膨脹（可變的體積）的貢獻，結果表明，這種現象是在諧波（電子-聲子耦合）和晶格熱膨脹（可變的體積）的聯合作用下產生的，這一結論在實際中是非常有用的。然后，通過確認導致這種異常現象的特殊原子的振動，明顯地縮小了解釋引起這種帶隙開裂的機制范圍。

文獻鏈接：Anomalous Temperature Dependence of the Band Gap in Black Phosphorus（Nano Letters，2016，DOI: 10.1021/acs.nanolett.6b02035）

5、PRB：層狀超導體中的平面餅渦旋驅動的折返動力學

圖5 驅動力對耦合強度和釘扎強度的相關性函數和平面餅渦旋位置的預測

釘扎在粒子系統的動力學在過去的幾十年間，吸引了眾多科學家的持續關注。這樣的粒子系統包括Wigner晶體、相互作用的膠體、帶電密度波、斯格明子和晶體缺陷等等。其中，研究最多的系統是II型超導體中的渦旋。不同的動力學相（包括釘扎態、彈性流和高速滑動流）在實驗和理論工作中被揭露出來。然而，對于其內部的動力學過程仍然是研究熱點。

東南大學和比利時安特衛普大學的H. J. Zhao（通訊作者）等人利用分子動力學模擬研究了層狀超導體中平面餅渦旋驅動的動力學。對于層間的強耦合，隨著驅動力的增加，在被去釘扎前，殘留的渦旋線根據釘扎強度，直接去釘扎或者首次轉變為二維釘扎態。在釘扎強度變化的窄范圍內，研究者發現了一個有趣的二次釘扎過程，致使產生負微分電阻。對于層間的弱耦合，隨著驅動力的增加，單個釘扎平面餅渦旋開始先形成無序的二維流，而后轉變成有序三維流。然而，對于極端強釘扎，隨機釘扎引起的類熱Langevin力融化了三維渦旋線，產生了在快速滑移機制內的持久二維流現象。在中間的階段，峰值效應被發現：隨著驅動力增加，移動的平面餅渦旋開始先晶化，以移動三維渦旋線，然后三維渦旋線消失，導致折返二維流態的出現。該項工作被總結在動力學相圖中。

文獻鏈接：Reentrant dynamics of driven pancake vortices in layered superconductors（Physical Review B，2016，DOI: 10.1103/PhysRevB.94.024514）

6、PRB：純凈硅表面支持的磁性狄拉克費米子和陳省身絕緣子

圖6 Si-√3表面的俯視圖(a)和剖面圖(b), 及(c)在第一布里淵區中的費米能級附近，自旋極化狄拉克錐示意圖

在無磁性半導體中發現鐵磁性是眾多科學家熱情追逐的，特別是對于有可能實現量子反常霍爾效應的拓撲材料，其為發展自旋電子的應用創造了更多的機會和可能性。

中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家實驗室（籌）孟勝（通訊作者）和孫家濤（通訊作者）等人利用第一性原理計算，提出在金屬襯底上生長Si薄膜，具有自發弱重組結構的純凈Si(111)-√3 × √3表面有傾向鐵磁性和非常規拓撲特性的強烈趨勢，其被自旋極化狄拉克費米子表面態所體現。與依賴于引入外電荷載流子或特定模板襯底的傳統路線相反，自發磁有序和耦合在純凈硅表面的自旋軌道引起有限陳數為1的量子反常霍爾效應。該項工作表明源自外在摻雜或臨近效應的硅基材料也有發展自旋電子學和量子計算的可能性。

文獻鏈接：Magnetic Dirac fermions and Chern insulator supported on pristine silicon surface
（Physical Review B，2016，DOI: 10.1103/PhysRevB.94.035427）

7、PRB：硼化鎂納米管中的電荷轉移和負曲率能量

圖7 六邊形空位密度為η時DFT-LDA計算得到的相對于真空能級的硼片費米能級

基于碳、氮化硼、純硼等的單壁無機納米管通常采用理論和實驗兩方面對其進行研究。這些碳納米管可以從前體二維（2D）片中制備，切割出一個長條形并彎曲為帶狀形成管狀結構。許多大直徑碳納米管的電學特性可以使用區折疊技術直接從片狀前體獲得。而小直徑碳納米管的電學性質可通過強曲率效應對其進行修正。

利用基于密度泛函理論的第一性原理計算，美國耶魯大學的Hui Tang（通訊作者）和Sohrab Ismail-Beigi（通訊作者）等人研究了硼化鎂納米管和二維（2D）薄片的能量學和電荷轉移效應。由二維MgBx薄片制備的MgBx納米管顯示出負曲率能量：在納米系統這是不尋常的——由前體2D薄片彎曲成小直徑碳納米管的能量損失是負值，即小直徑碳納米管在能量上優于相應的薄片。該研究還討論了這些研究結果在實驗合成的MgBx納米管中將會如何體現。

文獻鏈接：Charge transfer and negative curvature energy in magnesium boride nanotubes（Physical Review B，2016，DOI: 10.1103/PhysRevB.94.035425）

8、AFM：多成分納米復合材料界面中絲素蛋白-基底間的相互作用?

圖8 不同濃度的絲素蛋白分別在GO表面沉積的AFM圖

具有比鋼鐵更高延展性和韌性的天然絲素蛋白是由節肢動物分泌產生。在室溫條件下，節肢動物包括蠶和蜘蛛分泌出這些異常強勁的纖維，其中含有許多絲素蛋白。

美國喬治亞理工學院材料科學與工程學院的Vladimir V. Tsukruk（通訊作者）團隊在不同氧化程度的氧化石墨烯（GO）的親水-疏水性異構表面，對絲素蛋白的吸附進行了實驗和理論分析。樣品使用多種與石墨烯納米復合物片層自組裝堆疊相關的自旋輔助條件，并且與標準基底SiO2進行了比較。絲素蛋白骨架二級結構的變化作為其濃度、基底化學的成分的函數，并對其沉積動力學和分子動力學模擬進行了評估和比較。結果表明，在低濃度下，當沉積速度的差異對絲素蛋白的二級結構和形貌無明顯影響時，會有原纖維形成。然而，介于靜電作用和范德華力的非鍵合作用可以導致絲素蛋白二級結構保留在GO的表面。對不同表面上的絲素蛋白的分子動力學模擬分析表明，強的范德華力作用是使得在石墨烯和二氧化硅表面失去和破壞絲素蛋白二級結構的關鍵。成功實現異構石墨烯基表面上絲素結構的微調將為生物分子–石墨烯納米復合材料加筋層生物高分子的發展提供良好的思路。

文獻鏈接：Silk Fibroin–Substrate Interactions at Heterogeneous Nanocomposite Interfaces （Advanced Funcational Materials ，2016， DOI: 10.1002/adfm.201601268）

9、PRL：透射電子顯微鏡法映射原子軌道——從第一性原理出發研究石墨烯的缺陷

圖9 石墨烯的高分辨TEM圖及其相應發的模擬圖

透射電子顯微鏡（TEM）長時間地被認為是映射原子軌道十分有前景的方法。

德國柏林洪堡大學的Lorenzo Pardini（通訊作者）和奧地利維也納理工大學的Stefan L?ffler（通訊作者）等人共同研究了利用第一性原理探索TEM對原子軌道的映射。以石墨烯的缺陷為例，它是一個孤立的空位或取代的氮原子，他們證實利用原子軌道得到了三種所期待的不同的照片。為了進一步判斷在真實顯微鏡下觀察原子軌道的可行性，他們對光學像差的影響進行了模擬。結果表明，通過使用能量過濾，在目前國家最先進的TEM中觀察到了原子軌道。

文獻鏈接：Mapping Atomic Orbitals with the Transmission Electron Microscope: Images of Defective Graphene Predicted from First-Principles Theory （Physical Review Letters ，2016，DOI:10.1103/PhysRevLett.117.036801）

本期文獻匯總由材料人編輯部計算材料組carbon、天行健、李亦回和靈寸供稿，材料牛編輯整理。

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