顶刊动态 | Nature子刊/PRL计算材料学术进展汇总【160630期】

本期导读：今天计算材料组邀您一起阅读计算材料领域最新的研究进展。内容预览：1、计算筛选和高压合成发现地球富足氮化物；2、二维形状记忆石墨烯氧化物；3、多轨道莫特系统的自发自旋；4、非周期性弱拓扑超导体；5、2D电子系统中奇频超导电性的一般条件；6、MoS2基底上锗烯的结构和电子特性；7、从第一性原理解释MOS2中锗烯 Z2的不变性。

1、Nature Communications: 计算筛选和高压合成发现地球富足氮化物

图1 理论计算的三元锌氮化物的电子性质：(a)能隙和(b)有效质量

氮化物半导体因为具有环境友好型，由富足元素组成和良好的电子性质等特点，备受众多科学家的关注。尽管氮化物有着丰富的组成层分空间，但是，目前市售的氮化物仅限于氮化镓及其合金。因此，发现其他组分的氮化物也是发展半导体器件的一种可能方向。

日本京都大学Fumiyasu Oba（通讯作者）和东京工业大学Hideo Hosono（通讯作者）利用电子结构、稳定性和掺杂等特点的第一性原理计算，实现了三元锌氮半导体的筛选。这种方法确定了目前尚未报道的CaZn2N2，该物质拥有地球上资源丰富的元素组分、比氮化镓还要低的载流子有效质量和适用于发光和光捕获的可调直接带隙等特点。并且，研究者利用高压合成制备CaZn2N2，验证了所预测的晶体结构和带边红色光致发光。最后，研究者提出一个有前景的系统，包括Ca2ZnN2、Ba2ZnN2和Zn2PN3，以及之前未报道过的半导体。凭借这些确定化合物宽范围的带隙，该项工作增强了氮化物半导体在电子、光电子和光伏领域的潜力适用性。

文献链接：Discovery of earth-abundant nitride semiconductors by computational screening and high-pressure synthesis（Nature Communications ，2016，DOI: 10.1038/ncomms11962）

2、Nature Communications: 二维形状记忆石墨烯氧化物

图2 石墨烯氧化物C8O的晶体结构

形状记忆材料（SMMs）的主要特征就是在合适的外界刺激下，显著变形后的SMMs可以恢复到初始形状。这个有趣的现象源自于材料的可逆相变。在微纳米技术不断增长的需求驱动下，纳米尺度下的刺激-响应形状记忆材料吸引了众多科学家的深入研究。然而，当传统形状记忆材料的尺寸缩减到纳米范围，材料的形状记忆效应会减小。

澳大利亚莫纳什大学Wenyi Yan（通讯作者）和Jefferson Zhe Liu（通讯作者）等人利用密度泛函理论计算，在具有有序环氧基团的二维石墨烯氧化物C8O晶体中发现了形状记忆效应。在两个固有稳定相的可逆相变作用下，材料的最大可恢复应变达到14.5%。计算结果显示，两个稳定相在一个连贯晶格中的共存，使得在单个材料中共建多个临时形状的可能性，从而实现高度期望可编程性。凭借具有原子层厚度，优异的形状记忆机械性能和电场刺激响应等特点，二维形状记忆石墨烯氧化物的发现开启了发展微纳机电器件的大门。

文献链接：Two-dimensional shape memory graphene oxide（Nature Communications，2016，DOI:10.1038/ncomms11972）

3、PRL：多轨道莫特系统的自发自旋

图3 轨道耦合模式示意图

充电电流与自旋极化的互相操控，可以被应用于自旋电子器件。其主要作用是通过在非中心对称系统的自旋-轨道耦合来实现的。非中心对称晶体中的自旋-轨道耦合引起布洛赫态在给定K点的简并和锁定其动量及自旋极化，从而产生倒易空间的自旋纹理。这个机制中产生了很多有趣的现象，比如铁磁自旋扭矩、反铁磁体、物质拓扑态和基于自旋电偶作用的倒易空间自旋纹理。电子偶联可以提供自旋极化和充电电流的耦合。

捷克科学院物理研究所J. Kune（通讯作者）研究由于电子偶联驱动的自发对称破缺引起的K空间自旋纹理的自发形成机理。利用动力学平均场理论，研究者发现对自旋三重态绝缘体掺杂提供了创造具有独特性质的新型热动力学相的方法。并且，研究者在广义双交换框架内的分析计算对模拟数值结果做出了解释。

文献链接：Spontaneous Spin Textures in Multiorbital Mott Systems（Physical Review Letters，2016， DOI: 10.1103/PhysRevLett.116.256403）

4、PRL：非周期性弱拓扑超导体

图4 哈密顿量HQC总波函数振幅

拓扑相的显著特征之一是存在对局域微观环境的扰动或随机调制不敏感的量化宏观观测量。这个显著特征可以通过量化观测块材体系中基本微观理论中的拓扑不变量，在不闭合块材能隙的任意局域变形作用下，都不发生变化来理解。最熟悉的例子就是，量子霍尔效应的横向电导率: 由于拓扑保护，其展现了被用来定义电阻计量标准的量化水平。弱拓扑相通常被保护下的晶格平移对称性来描述。由于弱不变量以动量空间中的圆环表示，其特征明确依赖于周期性。

以色列魏茨曼科学研究所I. C. Fulga（通讯作者）等人证明了具有非周期特征的弱拓扑超导体的兼容性，比如准晶。研究者摒弃了弱拓扑相的传统描述方法，提出了一种基于克里福德伪谱的弱不变量的新型实空间描述方法。该指数的非平凡值代表着一个非平凡的块材相，比边缘无序局域零能量模式具有更好的鲁棒性。该方法在确定若不变量方面，直接应用于任何有限尺寸系统，包括无序晶格模型。这种直接方法能够对拓扑保护的无序水平进行定量分析。

文献链接：Aperiodic Weak Topological Superconductors（Physical Review Letters，2016， DOI: 10.1103/PhysRevLett.116.257002）

5、PRL: 2D电子系统中奇频超导电性的普适条件

图5 (a)过渡金属硫化物(TMDs)的单层结构和(b)超导体上的TMD单层片状脱落形成异质结构示意图

低维异质结构是一种具有很大发展前景的新技术，它可以使我们获得许多非常规的量子态，如新形式的超流动性、旋纹理操作和非常规超导（SC）等。近年来，虽然在低维异质结构和层状异质结构合成中对各种非常规态有了一些初步认识，但这些了解仅仅是冰山一角。因此，对这些非常规态进一步研究，了解它们的电子性质十分重要。

美国威廉与玛丽学院的E. Rossi（通讯作者）等人通过2D系统和超导体的最小假设，在2D电子系统的接近耦合超导体中研究了奇频超导配对的普适条件，发现VI族过渡金属硫化物的单层结构可形成一个简单的异质结构。同时还研究了在范德华异质结构中的新系统的识别，发现在新系统中存在奇频的超导电性。

文献链接：General Conditions for Proximity-Induced Odd-Frequency Superconductivity in Two-Dimensional Electronic Systems（Physical Review Letters，2016，DOI: 10.1103/PhysRevLett.116.257001）

6、PRL: MoS2基底上锗烯的结构和电子特性

图6 MoS2/锗烯结构的扫描隧道显微镜图

锗烯是由单层锗原子形成的材料，该材料以类似于硅烯和石墨，高真空和高温条件下，在衬底上沉积锗原子层而合成。随着石墨烯sp2轨道的杂化单层碳原子处于稳定态的发现，科学领域取得了很大的突破。通过狄拉克方程可知石墨烯的电子特性为无相对质量的费米子，从而可以设想具有相似电子结构的硅、锗等元素也具有类似于 “锗烯”的同素异构体。目前，石墨烯硅模拟、石墨烯锡模拟等材料尚未在自然界中发现，因此这类2D材料只能人工合成。

荷兰特温特大学的H. J. W. Zandvliet（通讯作者）等人研究了MoS2基底上锗烯的结构和电子特性。因为锗烯费米能级附近的重要电子态可以与金属衬底的电子态的杂交，所以金属衬底上的锗烯通常有害而无利，但MoS2表面缺陷有利于锗烯形核。通过扫描隧道显微镜观察和密度泛函理论计算可知在K点存在着线性分散带，在Γ点存在两个抛物带穿过费米能级。

文献链接：Structural and Electronic Properties of Germanene on MoS2（Physical Review Letters，2016，DOI: 10.1103/PhysRevLett.116.256804）

7、PRL：从第一性原理解释MOS2衬底上锗烯Z2的不变性

图7 在K点附近AS p-C|MoS2和AS b-Ge|MoS2双层带状结构图

通过不连续的拓扑不变量可以对绝缘体进行分类，当这些不变量发生变化时，会出现一些令人兴奋的物理现象。当把一些不变量用在描述强磁场中电子的量子霍尔效应时，在时间反演对称系统会出现新的“拓扑”绝缘体（TI），其中有两个不变量的拓扑普通系统被称为Z2拓扑绝缘体。早期Kane和Mele的2D石墨烯研究中，自旋轨道耦合（SOC）可能导致处于狄拉克点处的间隙引起自旋极化边缘态的拓扑保护。

荷兰特温特大学的Paul J. Kelly（通讯作者）等人提出了广义的哈密顿低能量，是为了解释锗烯（Ge）的能带如何由覆盖层或基底的相互作用而发生改性。通过Ge| MoS2双层结构和MoS2|Ge| MoS2三层结构的第一性相对论计算确定了哈密顿参数和该系统的拓扑性质。从最低能量角度看，锗烯的结构与强烈依赖MoS2层（多层）取向的间隙单层锗原子相连接，拓扑双层和三层结构间大约差一个单层锗原子层。

文献链接：Z2 Invariance of Germanene on MoS2 from First Principles（Physical Review Letters，2016， DOI: 10.1103/PhysRevLett.116.256805）

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