頂刊動態 | PRL/PRB計算材料學術進展匯總【第8期】

1、PRB：磷烯納米帶的激子譜和光譜

圖2 4-zPNR對沿zz方向偏振光的光吸收

自從磷烯誕生以來，特別是2014年成功利用黑磷剝離得到磷烯之后，先進二維（2D）晶體材料中的這一成員以其獨特的性能吸引了很多的關注。磷烯有～1.4 eV的直接帶隙、高載流子遷移率以及用于場效應晶體管的高開關比。事實上，磷烯成為一個特殊2D系統的原因是其具有高度的各向異性。

伊朗基礎科學研究所（IPM）的Reza Asgari（通訊作者）和Zahra Nourbakhsh（通訊作者）在多體從頭算計算的基礎上，利用單脈沖G0W0方法和Bethe Salpeter方程，對磷烯納米帶（PNRs）的鋸齒型和扶手椅型這兩個典型方向進行了研究。研究小組計算了不同尺寸的PNRs的電子結構、光吸收、電子空穴（激子）結合能、激子交換劈裂以及激子波函數。單重態激子和三重態激子之間典型的強劈裂使得PNRs有望用于光電器件中。量子限域在兩種PNRs中都存在，其中在zPNRs系統更加強烈，其行為類似于準零維系統。研究表明多體相互作用對PNR的光吸收光譜有著重要影響，而且是不能忽視的。

文獻鏈接：Excitons and optical spectra of phosphorene nanoribbons （Phys. Rev. B，2016，DOI: 10.1103/PhysRevB.94.035437）

2、PRB：石墨烯上的鋸齒形石墨納米帶的半金屬狄拉克錐

圖2 K點附近的電子能帶結構

石墨烯的發現激發了基于石墨烯的納米結構和它們的衍生物濃厚的的研究興趣，如范德華力（vdW）異質結構。石墨烯中的一個有趣的特點是真實自旋和贗自旋的結合，這使得在這一獨特的兩維系統中產生了豐富物理現象，例如反常量子霍爾效應。

鑒于獨立的鋸齒型石墨烯納米帶是反鐵磁半導體，美國威斯康辛大學的M. X. Chen（通訊作者）等人通過第一性原理與緊束縛計算得到，在石墨烯上的鋸齒型石墨烯納米帶由于自旋和贗自旋對稱性破缺導致其為半金屬。特別地，半金屬狄拉克錐體是在費米能級附近的K（K'）點上形成的。目前的結果表明，在鋸齒型石墨納米帶中獨特的自旋和贗自旋的結合可以被用于操縱石墨烯的電子特性，并且可能對有潛力的石墨烯納米電子器件產生實際影響。

文獻鏈接:?Half-metallic Dirac cone in zigzag graphene nanoribbons on graphene （Phys. Rev. B，2016，DOI: 10.1103/PhysRevB.94.035433）

3、PRB：夾層石墨烯中的非常規量化邊緣運輸

圖3 G/i-Ta/SiC的俯視圖與側視圖

人們普遍認為，邊緣耦合破壞了量子自旋霍爾效應（QSH），還使狄拉克點出現缺口。

利用第一性原理計算，國家納米科學中心李元昌（通訊作者）研究發現：Ta插層外延石墨烯SiC是利用第一性原理計算的系統，量化邊緣輸運堅持Ta嵌入外延石墨烯的SiC（0001）上存在邊緣耦合，它是一個81 meV巨大電勢差的QSH絕緣體。在這種情況下，它們由特有的具有不同的費米速度的狄拉克錐構成，但只有一個保持邊緣狀態的功能。我們把這樣的軌道依賴性減弱的反常邊緣狀態歸因于體積，體積的限制使得邊緣耦合只能允許一組邊緣狀態，而不是兩個。文章中與常規研究的QSH的關鍵區別在于G/i-Ta/SiC中顯著的拉什巴分裂，導致邊緣態明顯衰退。絕緣子是G / I-TA /碳化硅的顯著拉什巴分裂，這導致邊緣狀態的不同衰減長度成批量。因此，隨著G/i-Ta/SiC色帶寬度減少，依次出現三個相態，即（1） QSH時間反演對稱性保護態（2）互動量化邊緣傳輸狀態，（3）瑣碎絕緣體狀態。在階段（2）中，同時存在體積和邊緣狄拉克費米子，這是因為邊緣耦合只有一組邊緣態。這些研究結果對于更加深刻的理解拓撲相變和拓撲保護量化運輸有著很大的理論意義和價值。

文獻鏈接：Unconventional quantized edge transport in the presence of interedge coupling in intercalated graphene（Phys. Rev. B，2016，DOI: 10.1103/PhysRevB.94.035147）

4、PRB：IV族單硫族化物的極化和谷值開關

圖4 ?均勻電場過渡點中的單層SnS可視化結構（注：褶皺和電偶極取向（紅色箭頭）可以從正x（b）至切換任負x（a）或正的y（C），這取決于所應用的電場方向）

IV族單硫化物是二維皺褶材料家族中的一員，具有由極性層的構成的斜方晶系結構。通過第一性原理計算顯示單層的SnS和GESE的多穩態，兩原材料褶皺的方向可由拉伸應力或施加電場改變。此外，勢場中兩個不等的低谷由褶皺的方向決定，可使用直線偏振光選擇性激發，這為確定偏振方向提供了額外的工具

最近，波士頓大學David K. Campbell（通訊作者）和新加坡國立大學Harold S. Park（通訊作者）等人分析IV族單硫化物單層的穩定性，單硫族化物MX（M = Ge、Sn，X = S、Se），以SnS的和GeSe作為原型。在一定環境條件下，SnS和GeSe結晶為Pnma空間群斜方晶系結構。 溫度為878 K時，SnS的經過二階位移相過渡到β-SnS相，對稱性變為Cmcm。對于GeSe，并未發現這樣的相變過程。相反，在924K，GeSe轉變成在巖鹽相（空間群Fm3m）。此階段也通過外力使之穩定。研究結果表明，SnS的和GeSe單層可能觀察到的鐵電性和多穩定性，在信息存儲方面有潛在應用。

文獻鏈接：Polarization and valley switching in monolayer group-IV monochalcogenides（Phys. Rev. B，2016，DOI: 10.1103/PhysRevB.94.035304）

5、PRB：非晶氧化物中深電子空穴對的極化和非極化研究

圖5 由于局域化和額外電子造成的Hf和O離子典型的自旋密度分布和位移（單位為?）

非晶α-HfO2是一種應用廣泛的高介電常數絕緣體的原型。

近日，日本東北大學的Moloud Kaviani（通訊作者）、英國倫敦大學的Alexander Shluger（通訊作者）、比利時魯汶大學Valery V. Afanas'ev（通訊作者）以及日本東北大學和英國倫敦大學Alexander L. Shluger（通訊作者）使用從頭計算法，成功發現多余的電子和空穴能夠以一種比單斜晶相更深的能量極化態陷入α-HfO2中。電子空穴對定位于前軀體，比如細長的Hf-O鍵或者調節后的Hf和O原子，同時，極化子被無定形局域網絡放大。單電子極化使得禁帶寬度約為2ev，低于導帶底的平均的陷阱能1eV。而在同樣的設置下，雙電子可以形成甚至更深的非極化態。空穴可以使得O離子的平均陷阱能為1.4eV。這些就使得研究人員通過證實深度極化態是固有的同時不再要求任何鍵的斷裂來形成前驅體位，就這樣從而理解了非晶氧化物中的電荷俘獲機制。

文獻鏈接：Deep electron and hole polarons and bipolarons in amorphous oxide （Phys. Rev. B，2016，DOI:10.1103/PhysRevB.94.020103）

6、PRL：自組織生長、結構和單原子鏈的磁性過渡金屬氧化物

圖6 具有3x1周期性結構的CoO2在銥（100）晶面上（a）LEED分析；（b）大尺度下其STM圖；（c）原子級STM圖，其中的插圖是DFT法分析結果；（d）大尺度下的STM圖

近日，德國埃爾朗根-紐倫堡大學的Pascal Ferstl（通訊作者）和奧地利維也納技術大學的Florian Mittendorfer（通訊作者）等人合作，對具有3x1周期性變化的單原子過渡金屬氧化物鏈的自組織生長機制以及不尋常的MO2類（M表示Ni、Co、Fe、Mn）金屬氧化物進行了報道。他們利用定量低能電子衍射（LEED）、掃描隧道顯微鏡（STM）以及密度泛函理論（DFT）幾種計算分析方法分析了這些氧化物的結構和磁學性能。LEED的分析結果揭示一個令人著迷的原子結構，其中的過渡金屬原子位于失行結構表面并且僅通過氧原子與基底成對。這種結構進一步利用偏差小于1.7 pm的結構參數DFT法進行了確認。其中，DFT法預測NiO2鏈無磁性，CoO2鏈具有鐵磁性，而FeO2和MnO2均為反鐵磁性。所有的結構表明只有弱鐵磁性的鏈間能夠成對。進一步來說，他們證實了Co和Fe或者與Ni的二元合金氧化鏈在銥基底（100）晶面方向的生長，這一成果的發現，可以使得他們能夠生產出由于非磁性或者反鐵磁性而具有不同長度的良好控制性的鐵磁性鏈整體。

文獻鏈接：Self-Organized Growth, Structure, and Magnetism of Monatomic Transition-Metal Oxide Chains （Phys. Rev. Lett. ，2016 DOI: 10.1103/PhysRevLett.117.046101）

7、PRB：ScF3中的反常熱導率與負熱膨脹的抑制

圖7 左圖為在15×15×15的晶格中，聲子壽命的能量函數；右圖為插入與不同溫度相對應的第一、第二力常數計算得到的熱導率

對于獲得在給定溫度范圍內無體積變化的材料，固體中由非諧性引起的負熱膨脹系數（NTE）是至關重要的。因此通過從頭計算法找到具有這種行為的材料是一個重要的問題。最近，ScF3的發現吸引了眾多的關注，這種鈣鈦礦結構氟化物的NTE達到了1100K。但是到目前為止，還很少有工作通過計算來理解和重現這種負熱膨脹的行為。而且，目前也沒有文獻報道ScF3熱導率的計算和測量方式。

法國CEA LITEN實驗室Ambroise van Roekeghem（通訊作者）等人通過從頭計算法，獲得鈣鈦礦型ScF3的高效溫度聲子譜，清晰地描述了這種化合物以及負熱膨脹抑制的行為。基于這個結果，預測了熱導率反常的溫度依賴性，并將此作為鈣鈦礦類化合物的普遍特征。最后，展示了高溫下負熱膨脹的抑制在準諧近似的范圍之外，并從格律乃森（Grüneisen）參數方面討論了這個現象。

文獻鏈接：Anomalous thermal conductivity and suppression of negative thermal expansion in ScF3. （Phys. Rev. B，2016，DOI: 10.1103/PhysRevB.94.020303）

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

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