頂刊快訊 | 計算材料前沿最新學術進展精選【第12期】

1、石墨烯納米條帶：平面周期性排列的石墨烯納米條帶的等離子模式

Plasmon Modes of Graphene Nanoribbons with Periodic Planar Arrangements（PRL，2016，DOI: 10.1103/PhysRevLett.117.116801）

圖1 石墨烯納米條帶的介電響應和等離子分散

意大利卡拉布里亞大學的科學家A. Sindona（通訊作者）等人通過從頭算方法研究了從低頻率太赫茲到紫外線下的平面周期性排列的石墨烯納米條帶的等離子激發及介電性質。研究計算表明通過化學摻雜、電子門控和幾何結構的調節可能可以構建出等離子共振的新材料，這種材料在低頻率太赫茲到紫外線區域可以自由的調控。

文：楊金榮

2、拓撲絕緣體：拓撲絕緣體Bi2Se3的內部缺陷

Toward the Intrinsic Limit of the Topological Insulator Bi2Se3（PRL，2016，DOI: 10.1103/PhysRevLett.117.106401）

圖2 Bi2Se3的(001)晶面的掃描隧道顯微鏡圖以及相應的幾何結構

美國羅格斯大學 Weida Wu（通訊作者）和倫斯勒理工學院Damien West（通訊作者）等人結合高分辨率掃描隧道顯微鏡和第一原理計算發現了單晶原型拓撲絕緣體Bi2Se3內的主要本征缺陷是硒空位和硒間隙缺陷，這些缺陷決定了其晶體傳導和電位變動。研究結果說明通過嚴格控制晶體的化學計量和合成過程中的缺陷就可以合成高質量的單晶，并且這種單晶材料附帶很低的缺陷密度和很低的電位擾動。

文：楊金榮

3、統計誤差：固相擴散中泊松過程模擬的統計誤差

Statistical error in simulations of Poisson processes: Example of diffusion in solids
（PRB, 2016, DOI: 10.1103/PhysRevB.94.085206）

圖3 為NEMD模型中力Fext與平均等待時間ˉτ的關系圖

瑞典皇家理工學院的Johan O. Nilsson（通訊作者）等人在固相擴散模擬中用統計誤差的分析表達式獲得離子導電率。雖然現在任何一種數值理論都沒考慮誤差，但一般情況下，泊松過程的模擬還算正確。在Gd雜質的氧化鈰中，通過大量動力學蒙特卡羅計算，從數學上驗證了分析誤差的存在。

文：大白

4、金屬-絕緣體轉變：化合物半導體表面準一維金屬-絕緣體轉變過程

Quasi-One-Dimensional Metal-Insulator Transitions in Compound Semiconductor Surfaces （PRB, 2016, DOI: 10.1103/Phys Rev Lett.117.116101）

圖4 為Ga N-1H和Ga N-1Li的板狀結構。

南方科技大學的H. Xu和S.Y. Tong（共同通訊作者）等人提出了一種在纖鋅礦型中金屬陰離子的（10ˉ10）表面新的派爾斯系統，當陰離子與氫或鋰原子結合時，可得到單原子金屬結構具有3個配位數的金屬原子；第一性原理計算表明，其表面為金屬表面，但低于某一臨界溫度時會凝結成半導體；引入表面腳手架概念將其表面的運動限制于上下運動或側向移動，從而證實了派爾斯的假設。同時還預測了這類絕緣體存在于一些部分氫化的多纖維鋅礦化合物（10ˉ10）表面。

文：大白

5、準一維自旋: ?磁體Ba3Cu3Sc4O12中軌道雜化和自旋軌道效應

Hybridization and spin-orbit coupling effects in the quasi-one-dimensional spin-? magnet Ba3Cu3Sc4O12? （PRB , 2016, DOI:10.1103/PhysRevB.94.054435）

圖5 (a) Ba3Cu3Sc4O12的晶體結構，(b)-(d) Ba3Cu3Sc4O12的三種可能基態磁構型。

俄羅斯烏拉爾聯邦大學的D. I. Badrtdinov（第一作者）及其合作者在第一性原理計算的基礎上構造出有效低能量哈密頓量模型，并研究了準一維自旋1/2磁體Ba3Cu3Sc4O12中的自旋軌道作用以及電子結構和磁性。在此基礎上，針對Ba3Cu3Sc4O12推導出了包含考慮對稱和非對稱各向異性交換作用的完備微觀磁性模型。各向異性交換作用是通過結合考慮了自旋耦合作用的局域密度近似和Moriya磁性微觀理論的投影步驟來計算得到的。計算所得到的對稱各向異性張量使得原子在沿著鏈式結構方向上趨向于共線磁序，鐵磁耦合作用常數J1 ? ?9.88 meV，原子鏈之間呈反鐵磁序，耦合作用常數為J8 ? 0.21和J5 ? 0.093 meV。基于他們提出的磁序結構模型，量子蒙特卡模擬很好地重復Neel溫度、磁化強度和磁化率的實驗結果。對中子散射數據的分析揭示了共價性Cu-O化學鍵對Ba3Cu3Sc4O12的物性起非常重要的作用。

文: nanogold

6、密度泛函理論：高通量材料計算發現穩定的新M2AX結構相

Computational discovery of stable M2AX phases? （PRB , 2016, DOI: 10.1103/PhysRevB.94.054116）

圖6 (MM′)2(AA′)(CN) 化合物的六種獨特結構模型

美國佛羅里達大學Richard G. Hennig（第一作者）等人采用基于密度泛函理論的高通量計算確定了大量穩定的Mn+1AXn化合物(n = 1, M = Sc, Ti, V, Cr, Zr, Nb, Mo, Hf, Ta; A = Al, Si, P, S, Ga, Ge, As, Cd, In, Sn, Tl, Pb; 和X = C, N)。他們計算了216種M2AX純化合物和10314種(MM′)2(AA′)(XX′)固溶相的形成能。他們的計算結果顯示，39實驗已知化合物的形成能小于30 meV/atom。在所計算的10530種組分中，3140種組分的形成能小于30 meV/atom，大部分它們還有待實驗上被合成出。重要的是，301種組分具有很強的熱穩定性，形成能為負且超過100 meV/atom，意味者它們很容易被合成。另外，他們也確定了M2AX化合物穩定性的半經驗規則。這些結果為合成不同M2AX化合物的實驗設計提供了理論的指導原則。

文: nanogold

7、材料力學：化學官能團對二維層狀材料鈦碳化合物穩定性和力學強度的影響

Stabilization and strengthening effects of functional groups in two-dimensional titanium carbide （PRB, 2016, DOI: 10.1103/PhysRevB.94.104103）

圖7 單層Ti3C2T2的應力-應變響應曲線

北京航空航天大學張千帆（通訊作者）和張瑞豐（通訊作者）等人通過采用基于密度泛函理論的計算方法系統地研究了不同化學官能團對一種代表性MXene化合物Ti3C2穩定性、力學性質和電子結構的影響。他們的計算結果表明，氧原子與其他官能團相比，在Ti3C2這種單層二維結構材料上吸附能最大，能增加MXene化合物Ti3C2的穩定性。另外，氧的吸附也能大大提高Ti3C2的理想拉伸強度。他們從電子結構上揭示，由氧官能團引入所導致的增強效應，主要是因為Ti3C2在表面修飾之后，內部原子層Ti-C化學鍵上電荷密度會向表面的Ti-O化學鍵轉移。這些計算結果為拓展MXene化合物在可柔性電子器件和能量儲存器件方面的潛在應用提供了新觀點。

文: nanogold

8、晶體缺陷：基于密度泛函理論的電子結構計算研究金剛石中氧缺陷

Characterization of oxygen defects in diamond by means of density functional theory calculations （PRB, 2016, DOI: 10.1103/PhysRevB.94.125202）

圖8 金剛石中氧替位和碳空位形成的復合缺陷OV在不同電荷態時的Kohn-Sham (KS)(a)軌道和(b)能級圖

人工金剛石生長過程中很難避免氧污染，氧原子的嵌入可能導致金剛石里形成各種與氧相關的點缺陷，這些缺陷的本質以及對金剛石提供量子比特的影響還有待研究。匈牙利科學院和布達佩斯技術與經濟大學的Gerg? Thiering（第一作者）等人通過采用基于密度泛函理論的計算方法研究了金剛石里各種與氧相關的點缺陷（包括了間隙氧缺陷、替位氧缺陷、替位氧-碳空位復合缺陷和替位氧-碳空位-間隙氫復合缺陷）的熱力學穩定性、電子結構和磁光性質。他們發現，金剛石中與氧相關缺陷的電氣性質非常活躍而引入具有高度關聯性的的軌道，這對密度泛函理論的計算模擬來說是很大的挑戰。盡管如此，他們還是能確定替位氧點缺陷、替位氧-碳空位復合缺陷和替位氧-空位碳-間隙氫復合缺陷在電子順磁共振譜的鑒別特征。他們也預測了這些缺陷的電子順磁共振譜里的動態平均是受Jahn-Teller畸變所限制的，高自旋態和中性態的氧替位-碳空位在光激發時呈現了非常快的非輻射衰敗，這可能阻礙金剛石點缺陷提供量子比特。

文: nanogold

9、從頭計算：C3N4在高壓下的一種新密堆積的晶體結構

Carbon nitride frameworks and dense crystalline polymorphs （PRB, 2016, DOI:?10.1103/PhysRevB.94.094104）

圖9 由PBE泛函計算得到的C3N4焓-壓強關系曲線

英國倫敦大學學院C.J.Pickard（通訊作者）等人采用從頭計算隨機搜索算法研究了碳-氮化合物C3N4在隨壓強增加時不同晶體結構的穩定性。他們計算預測了C3N4存在一種新框架結構的晶型，該穩定結構的空間群為P43212，具有手性對稱且混有sp2和sp3化學鍵。他們也通過實驗手段合成出了該結構的C3N4，觀測到它在室溫條件下也是穩定的。隨著壓強的增加，該結構會轉化為一種空間群為Pnma的密堆積相，此高壓相里C原子全部呈現sp3鍵結合，N原子為3度配位。當壓強超過650 GPa后，C3N4會不穩定而分解為金剛石和黃鐵礦結構的CN2。

文: nanogold

10、從頭計算預測：BN-Si二維納米結構材料的穩定性

Stability of two-dimensional BN-Si structures （PRB, 2016, DOI: 10.1103/PhysRevB.94.094105）

圖10 由BN-Si形成的幾種穩定性相對高的二維納米結構

美國紐約州立大學賓漢姆頓分校的Ernesto D. Sandoval（第一作者）等人通過采用從頭計算演化算法對二維層狀類石墨烯材料BNSi2搜索一系列穩定而新奇的結構。形成能的計算結果表明，搜索預測出的新結構相對于二維硅烯和BN單原子層是穩定的。通過對比CSi, BNC2和BNSi2等幾種二維化合物的電子結構后揭示，后兩者的不溶性主要是因為N原子在混合體系里不易形成共價鍵。在此基礎上，他們還對探索和設計BN-C-Si的新結構提出了一些觀點，比如以后的搜索方向需考慮慮BN-C-Si可能存在非六角晶格的結構。

文: nanogold

本文由材料人編輯部計算組供稿，材料牛編輯整理。

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