室温铁磁性半导体找到新获得途径

如何获得室温铁磁性半导体，是量子计算、高频器件、高密度信息存储的一个重要环节。国际权威期刊《Nano Today》近日刊文显示，郑州大学许群教授课题组利用CO2在非范德华力晶体孔道内构建强内应力场，成功制备出具有室温响应的二维铁磁性VO2。

许群介绍，面对更先进的信息技术需求，在更高集成度、更高快速响应、更低功耗等方面对电子器件有更高的要求。二维铁磁材料由于其少层原子层厚度和可控的电子自旋，已成为下一代自旋电子器件的研究热点。

他说，现有非磁性二维材料中诱导磁矩是通过调节应变、边缘结构或缺陷工程来引入电荷载流子，这些都集中在外部诱导磁响应上，如何突破传统制备模式并深刻理解二维铁磁材料的本征特性极具重要意义。

过渡金属氧化物VO2表现出许多新的物理现象，如金属-绝缘体转变和室温铁磁性。在强相关过渡金属氧化物（TMOs）材料中，d层和f层电子其自由度（自旋、电荷和轨道矩）的相互作用使得结构和磁性对温度、压力和组分等参数的微小变化非常敏感，然而多数情况，来自外部诱导的局部磁矩非常弱，并且产生的磁性通常只关联表面少数原子。因此相较于缺陷工程，如何打破序参量的对称性，在材料中创造新的表面或诱导晶体到无定形的转变，进而产生本征磁各向异性，是一个有效的路径。

许群教授课题组提出一种CO2诱导相变工程策略，将非范德华体相VO2成功转化为室温响应的2D铁磁体。引入的CO2不仅可以引发材料表界面相变，还可以在VO2的晶格孔道中产生强大的内力场，由此导致的共价键选择性断裂，将三维VO2晶体转化为二维纳米片，最终获得“锁定”的亚稳相的2D拓扑结构并表现出显著增强的室温铁磁响应。该研究工作为二维非范德华铁磁体的制备开辟了一条新途径，同时对CO2在晶体孔道中产生的内应力及其关联亚稳相产生的机理进行了探讨，为进一步拓展超临界CO2在构筑新型纳微结构上的应用奠定了实验和理论基础。该工作得到了国家自然科学基金、郑州大学一流学科计划等项目的支持。

编辑/范辉

随着 科技 的发展，传统电子元器件在不断微型化过程中面临着诸多挑战。寻找新材料、新结构和新原理器件是推动信息化器件进一步发展的关键。近年来，二维材料由于仅有单个或几个原子层厚度，量子效应凸显，呈现出许多区别于传统三维材料的 新奇物性和卓越性能 ，有望成为新原理型光、电、磁等器件的核心材料。因此， 探索 具有优异性能的新型二维功能材料、研究其新奇物性并构筑基于二维材料的新原理器件，对二维材料的实际应用具有重要意义 。

最近，中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心纳米物理与器件实验室N11组 潘金波副研究员、张艳芳博士、杜世萱研究员 与天普大学 严琪闽教授 等人合作，在 二维层状材料 及 异质结 的新奇物性方面取得重要进展。 他们设计了正方形晶格结构在应力下的演化模型，通过分析 二维平面结构 和 起伏结构 在应力下可能的演化过程，提出了一个能够使材料产生 负泊松比 的机制 ，即： 材料具有起伏结构，并且次近邻原子间相互作用较弱 （图1）。

结合 大数据挖掘 和 高通量计算 ， 他们从二维材料数据库中搜索到一个具有类似模型结构的二维材料家族，即具 有p4mm二维空间群的过渡金属硫族和卤族化合物MX ，其中M为V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Ag，X为Se，Cl，Br，I（图2）。

理论计算表明，当金属原子3d轨道满占据时，体系具有较弱的次近邻相互作用，导致负泊松比的发生，与模型预测结果一致。 本工作中结构模型演化分析结合大数据材料挖掘的方式，极大地提高了二维负泊松比材料的 探索 效率，为研究具有优异力学性质的二维材料提供了有价值的参考 。该工作近期发表在 npj Computational Materials 6, 154 (2020)上。

他们还提出了一种 通过构筑二维磁性范德华异质结来实现 量子反常霍尔 (QAH)效应的方法， 以突破传统本征磁性拓扑绝缘体数量稀少这一瓶颈 。通过寻找两个具有特定能带带边结构的二维（通常是拓扑平庸的）磁性半导体化合物的组合，使得它们 形成具有拓扑非平庸能带结构的III型异质结 （图3）。

结合基于对称性分析的理论模型、大数据挖掘以及高通量计算方法 ，他们预测了8种具有QAH效应的异质结候选材料，这些异质结材料由MXY化合物(M=金属原子，X=S，Se，Te，Y=F，Cl，Br，I)中二维铁磁半导体材料构成。以MnNF/MnNCl为例，理论上直接计算了该异质结的电子结构（图4）和拓扑不变量（陈数）以及手性边缘态（图5）

计算结果表明MnNF和MnNCl在FM-stacking方式下能产生量子反常霍尔效应(QAH)，与基于对称性分析的理论模型结果一致 。这项工作展示了如何 将数据驱动的材料科学与基于对称性分析的理论模型相结合 ，寻找具有QAH效应和其他奇异量子态的新型异质结量子材料。该研究结果近日发表在 npj Computational Materials 6, 152 (2020)上。

文章下载链接：

https://www.nature.com/articles/s41524-020-00424-1

https://www.nature.com/articles/s41524-020-00419-y

原文标题： 二维材料及具有量子反常霍尔效应二维材料异质结的高通量计算取得重要进展

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