顶刊动态 | Nature子刊/PRL/Nano Letters等计算材料学术进展汇总【第7期】

内容预览：对穿过二维材料场效应渗透的多尺度分析；固体表面附近电解质水溶液的原子分辨三维结构；铁基超导体表面的拓扑超导相；黑磷中反常的带隙温度依赖性；层状超导体中的平面饼涡旋驱动的折返动力学；纯净硅表面支持的磁性狄拉克费米子和陈省身绝缘子；硼化镁纳米管中的电荷转移和负曲率能量；多成分纳米复合材料界面中丝素蛋白-基底间的相互作用；透射电子显微镜法映射原子轨道——从第一性原理出发研究石墨烯的缺陷。

1、 Nano Letters：对穿过二维材料场效应渗透的多尺度分析

图1 量子电容器(QC)的结构示意图和能带示意图

栅调谐二维（2D）材料量子电容器（QCS）和范德瓦尔斯异质结构通过场效应调节输运特性和光电特性。最近的研究将栅调谐特性归结于紧邻介质层的2D材料层费米能级的改变，但是在这些研究中透过单分子厚度材料的场效应渗透效应被忽视或过于简化了。

瑞士苏黎世联邦理工学院的Chih-Jen Shih（通讯作者）和英国贝尔法斯特女王大学的J. G. Santos（通讯作者）等人结合了第一性原理电子结构计算和泊松-波尔兹曼方程方法的多尺度理论分析，建立了在金属-氧化物-石墨烯-半导体（MOGS）量子电容器中穿过石墨烯层的场效应渗透模型，其中包括了石墨烯二维电子气（2DEG）对电位仪“通透”程度的量化。研究发现，半导体层中的空间电荷密度可以通过栅极进行非线性的调制，在半导体/石墨烯界面形成积累层或反型层。透明度是由石墨烯量子电容和半导体电容共同作用决定的，这使我们能够预测当多数载流子为电子时电位移下各种二维材料的透明度并排名如下：石墨烯 > 硅烯 > 锗烯 >WS2> WTe2 >WSe2 >MoS2 > 磷烯 > MoSe2 > MoTe2。

文献链接：Multiscale Analysis for Field-Effect Penetration through TwoDimensional Materials（Nano Letters，2016，DOI: 10.1021/acs.nanolett.6b01876）

2、 Nature Communications：固体表面附近电解质水溶液的原子分辨三维结构

图2 云母电解质溶液界面的三维图像

界面液层涉及到很多范围的现象，如润湿、黏附、表面电化学、纳米流变、纳米光刻、生物矿化、蛋白质动力学或蛋白质折叠和分子识别。固体表面附近的液体形成的界面层，其中的分子结构是与体材料时不同的。

西班牙国家研究委员会（CSIC）的Ricardo Garcia（通讯作者）等人报道了云母表面附近电解质溶液的原子分辨率三维图像，它显示存在三种类型的界面结构。在低浓度下（0.01-1 M），阳离子被吸附到云母上，阳离子层被一些水化层覆盖。在较高浓度时，界面层向液体中延伸几个纳米。这涉及到阳离子层和阴离子层的交替。流体密度泛函计算表明，水分子是稳定界面层结构的一个关键因素。界面层稳定为与类液体离子以及溶剂流动性相容的类晶体结构。在饱和时，将会析出一些离子并在云母上形成小晶体。

文献链接:Atomically resolved three-dimensional structures of electrolyte aqueous solutions near a solid surface（Nature Communications，2016，DOI: 10.1038/ncomms12164）

3、PRL：铁基超导体表面的拓扑超导相

图3 TSC相空间和快材超导体能隙

作为用于实现马约拉纳费米子的最简单的系统之一， 拓扑超导体在凝聚态物理和量子计算领域起着非常重要的作用。

斯坦福大学Shou-Cheng Zhang（通讯作者）和Xiao-Liang Qi（通讯作者）等人利用从头计算方法，及有效八能带模型和超导配对的分析，证实了三维扩展S波铁基超导体（比如Fe1+ySe0.5Te0.5）具有一个金属拓扑相的、非常规的能带结构，通过调谐块材的载流子掺杂水平，可以在(001)表面实现正常拓扑相-正常超导相的转变。在拓扑超导（TSC）相，一个马约拉纳零模式被捕获在一个磁涡流线的端部。进一步研究表明，表面TSC相仅存在达到某一配对能隙的块材中，并且第一次发现由温度驱动正常拓扑相的转变。该工作为在一大类超导体中发现TSC和马约拉纳费米子提供了一种有效的方法。

文献链接：Topological Superconductivity on the Surface of Fe-Based Superconductors（Physical Review Letters，2016，DOI: 10.1103/PhysRevLett.117.047001）

4、Nano Letters：黑磷中反常的带隙温度依赖性

图4 黑鳞原子结构模型示意图，以及理论和实验上的黑鳞带隙热依赖性数据

黑磷以其独特的各向异性的电学和光学性质引起了人们的关注，这些性质可以在很广泛的技术领域中运用。从某种意义上来讲，热学性质在预测黑鳞室温工作状态和决定其热电势上是特别重要的。从这个角度来看，一个最引人注意却又知之甚少的现象是由温度引起的带隙开裂，当温度上升时，基本带隙是增加的而不是减少的。而且，最近在单层黑鳞中也观察到了这种反常的热依赖性。

意大利的Cesar E. P. Villegas（通讯作者）团队基于从头计算法，提出了一个解释，来说明这个长期已知的，但还没完全得到解释的效应。他们分别研究了谐波（电子-声子耦合）的贡献和晶格热膨胀（可变的体积）的贡献，结果表明，这种现象是在谐波（电子-声子耦合）和晶格热膨胀（可变的体积）的联合作用下产生的，这一结论在实际中是非常有用的。然后，通过确认导致这种异常现象的特殊原子的振动，明显地缩小了解释引起这种带隙开裂的机制范围。

文献链接：Anomalous Temperature Dependence of the Band Gap in Black Phosphorus（Nano Letters，2016，DOI: 10.1021/acs.nanolett.6b02035）

5、PRB：层状超导体中的平面饼涡旋驱动的折返动力学

图5 驱动力对耦合强度和钉扎强度的相关性函数和平面饼涡旋位置的预测

钉扎在粒子系统的动力学在过去的几十年间，吸引了众多科学家的持续关注。这样的粒子系统包括Wigner晶体、相互作用的胶体、带电密度波、斯格明子和晶体缺陷等等。其中，研究最多的系统是II型超导体中的涡旋。不同的动力学相（包括钉扎态、弹性流和高速滑动流）在实验和理论工作中被揭露出来。然而，对于其内部的动力学过程仍然是研究热点。

东南大学和比利时安特卫普大学的H. J. Zhao（通讯作者）等人利用分子动力学模拟研究了层状超导体中平面饼涡旋驱动的动力学。对于层间的强耦合，随着驱动力的增加，在被去钉扎前，残留的涡旋线根据钉扎强度，直接去钉扎或者首次转变为二维钉扎态。在钉扎强度变化的窄范围内，研究者发现了一个有趣的二次钉扎过程，致使产生负微分电阻。对于层间的弱耦合，随着驱动力的增加，单个钉扎平面饼涡旋开始先形成无序的二维流，而后转变成有序三维流。然而，对于极端强钉扎，随机钉扎引起的类热Langevin力融化了三维涡旋线，产生了在快速滑移机制内的持久二维流现象。在中间的阶段，峰值效应被发现：随着驱动力增加，移动的平面饼涡旋开始先晶化，以移动三维涡旋线，然后三维涡旋线消失，导致折返二维流态的出现。该项工作被总结在动力学相图中。

文献链接：Reentrant dynamics of driven pancake vortices in layered superconductors（Physical Review B，2016，DOI: 10.1103/PhysRevB.94.024514）

6、PRB：纯净硅表面支持的磁性狄拉克费米子和陈省身绝缘子

图6 Si-√3表面的俯视图(a)和剖面图(b), 及(c)在第一布里渊区中的费米能级附近，自旋极化狄拉克锥示意图

在无磁性半导体中发现铁磁性是众多科学家热情追逐的，特别是对于有可能实现量子反常霍尔效应的拓扑材料，其为发展自旋电子的应用创造了更多的机会和可能性。

中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家实验室（筹）孟胜（通讯作者）和孙家涛（通讯作者）等人利用第一性原理计算，提出在金属衬底上生长Si薄膜，具有自发弱重组结构的纯净Si(111)-√3 × √3表面有倾向铁磁性和非常规拓扑特性的强烈趋势，其被自旋极化狄拉克费米子表面态所体现。与依赖于引入外电荷载流子或特定模板衬底的传统路线相反，自发磁有序和耦合在纯净硅表面的自旋轨道引起有限陈数为1的量子反常霍尔效应。该项工作表明源自外在掺杂或临近效应的硅基材料也有发展自旋电子学和量子计算的可能性。

文献链接：Magnetic Dirac fermions and Chern insulator supported on pristine silicon surface
（Physical Review B，2016，DOI: 10.1103/PhysRevB.94.035427）

7、PRB：硼化镁纳米管中的电荷转移和负曲率能量

图7 六边形空位密度为η时DFT-LDA计算得到的相对于真空能级的硼片费米能级

基于碳、氮化硼、纯硼等的单壁无机纳米管通常采用理论和实验两方面对其进行研究。这些碳纳米管可以从前体二维（2D）片中制备，切割出一个长条形并弯曲为带状形成管状结构。许多大直径碳纳米管的电学特性可以使用区折叠技术直接从片状前体获得。而小直径碳纳米管的电学性质可通过强曲率效应对其进行修正。

利用基于密度泛函理论的第一性原理计算，美国耶鲁大学的Hui Tang（通讯作者）和Sohrab Ismail-Beigi（通讯作者）等人研究了硼化镁纳米管和二维（2D）薄片的能量学和电荷转移效应。由二维MgBx薄片制备的MgBx纳米管显示出负曲率能量：在纳米系统这是不寻常的——由前体2D薄片弯曲成小直径碳纳米管的能量损失是负值，即小直径碳纳米管在能量上优于相应的薄片。该研究还讨论了这些研究结果在实验合成的MgBx纳米管中将会如何体现。

文献链接：Charge transfer and negative curvature energy in magnesium boride nanotubes（Physical Review B，2016，DOI: 10.1103/PhysRevB.94.035425）

8、AFM：多成分纳米复合材料界面中丝素蛋白-基底间的相互作用

图8 不同浓度的丝素蛋白分别在GO表面沉积的AFM图

具有比钢铁更高延展性和韧性的天然丝素蛋白是由节肢动物分泌产生。在室温条件下，节肢动物包括蚕和蜘蛛分泌出这些异常强劲的纤维，其中含有许多丝素蛋白。

美国乔治亚理工学院材料科学与工程学院的Vladimir V. Tsukruk（通讯作者）团队在不同氧化程度的氧化石墨烯（GO）的亲水-疏水性异构表面，对丝素蛋白的吸附进行了实验和理论分析。样品使用多种与石墨烯纳米复合物片层自组装堆叠相关的自旋辅助条件，并且与标准基底SiO2进行了比较。丝素蛋白骨架二级结构的变化作为其浓度、基底化学的成分的函数，并对其沉积动力学和分子动力学模拟进行了评估和比较。结果表明，在低浓度下，当沉积速度的差异对丝素蛋白的二级结构和形貌无明显影响时，会有原纤维形成。然而，介于静电作用和范德华力的非键合作用可以导致丝素蛋白二级结构保留在GO的表面。对不同表面上的丝素蛋白的分子动力学模拟分析表明，强的范德华力作用是使得在石墨烯和二氧化硅表面失去和破坏丝素蛋白二级结构的关键。成功实现异构石墨烯基表面上丝素结构的微调将为生物分子–石墨烯纳米复合材料加筋层生物高分子的发展提供良好的思路。

文献链接：Silk Fibroin–Substrate Interactions at Heterogeneous Nanocomposite Interfaces（Advanced Funcational Materials ，2016， DOI: 10.1002/adfm.201601268）

9、PRL：透射电子显微镜法映射原子轨道——从第一性原理出发研究石墨烯的缺陷

图9 石墨烯的高分辨TEM图及其相应发的模拟图

透射电子显微镜（TEM）长时间地被认为是映射原子轨道十分有前景的方法。

德国柏林洪堡大学的Lorenzo Pardini（通讯作者）和奥地利维也纳理工大学的Stefan Löffler（通讯作者）等人共同研究了利用第一性原理探索TEM对原子轨道的映射。以石墨烯的缺陷为例，它是一个孤立的空位或取代的氮原子，他们证实利用原子轨道得到了三种所期待的不同的照片。为了进一步判断在真实显微镜下观察原子轨道的可行性，他们对光学像差的影响进行了模拟。结果表明，通过使用能量过滤，在目前国家最先进的TEM中观察到了原子轨道。

文献链接：Mapping Atomic Orbitals with the Transmission Electron Microscope: Images of Defective Graphene Predicted from First-Principles Theory（Physical Review Letters ，2016，DOI:10.1103/PhysRevLett.117.036801）

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