北理工團隊在二維平帶研究領域取得重要進展
發布日期：2024-03-14 供稿：物理學院 攝影：物理學院
編輯：王莉蓉 審核：陳珂 閱讀次數：
近期，北京理工大學物理學院姚裕貴教授團隊提出了一個結合高通量第一性原理計算和二維平帶評判標準的雙層篩選框架，用以過濾和判定高質量的范德華平帶材料。相關研究成果以“Cataloging High-Quality Two-Dimensional Van der Waals Materials with Flat Bands”為題發表在國際頂級期刊《Advanced Functional Materials》上。
固體材料中的新奇物性很大程度上與其電子能帶結構密切相關。例如，在諸多能帶色散關系中，無色散平帶因其自身呈現出超高態密度以及完全猝滅電子動能等特點，導致出現多種強關聯物理新效應，包括分數量子霍爾效應、非常規超導和關聯絕緣態等，引起凝聚態物理學和材料科學的極大關注。相比于三維材料或當前研究較為廣泛的多層轉角平帶體系，范德華平帶體系具有更低的維度和更多的可調性，提供了更清晰的晶格模型，這使得二維范德華材料成為探索平帶物理及其潛在應用的理想平臺。然而，在平帶物理領域研究中，仍然缺乏一種簡單高效的方法來尋找具有平帶特征的范德華材料。
圖1 篩選二維范德華平帶材料的流程圖。該篩選流程可以識別平帶的特征，并通過“初級靶向”和“二級篩選”兩層篩選框架來構建高質量平帶材料目錄。
姚裕貴教授團隊率先提出了一種雙層框架來篩選和判定高質量的平帶范德華材料。圖1展示了篩選二維范德華平帶材料的流程圖，旨在識別具有合成潛力和易于實驗驗證的平帶材料。通過采用拓撲縮放方法，團隊從包含187093種無機晶體結構的數據庫中，初步獲得了861種潛在的單層材料。為了高效精準地篩選平帶目標，姚等人提出了一種簡單、通用的規則，即二維平帶評分標準，用于有效識別各種候選平帶材料，并為二維平帶高品質篩選提供指導。通過獨特的二維平帶評分標準，團隊成功診斷出了229種平帶候選材料，并進一步判定了74種具有靠近費米能級平帶的材料。這項工作提供了一份詳盡的、在費米能級附近具有平帶特征的高質量范德華材料目錄，為進一步探索這類特殊材料的新奇物性提供豐富的材料平臺。
該工作得到國家自然科學基金委、科技部、北京理工大學青年教師學術啟動計劃等單位的支持。北京理工大學物理學院博士生段璟奕、馬大帥博士（2021屆博士畢業生，現供職于重慶大學）為該工作的共同第一作者，張閏午副教授、姚裕貴教授為共同通訊作者。另外，北京理工大學余智明教授、蔣偉教授、張澤英副教授（2019屆博士畢業生，現供職于北京化工大學）、博士生崔朝喜也對此工作做出了貢獻。相關結果發表于國際頂級期刊Advanced Functional Materials (IF: 19.0)：Jingyi Duan,? Da-Shuai Ma,? Run-Wu Zhang*, Wei Jiang, Zeying Zhang, Chaoxi Cui, Zhi-Ming Yu, and Yugui Yao*; “Cataloging High-Quality Two-Dimensional van der Waals Materials with Flat Bands”, Advanced Functional Materials, 2313067 (2024). (?為共同一作；*為共同通訊作者。)
文章鏈接：https://doi.org/10.1002/adfm.202313067
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