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南开团队在低维纳米电子功能材料领域取得新进展
来源: 南开大学新闻网发稿时间:2023-10-23 21:37

  南开新闻网讯(通讯员 程丹)电子结构中的奇点在固体物理和材料科学领域中扮演着重要的角色,其出现在费米能级附近时,导致电子态密度发散,对解释超导性、铁磁、电荷密度波以及自旋密度波等相关电子现象至关重要。在材料设计和开发领域发挥中引入奇点,可以帮助科学家实现特定电子性质和功能的材料,从而对实际应用产生广泛影响。在最新的一项科学研究中,南开大学胡振芃教授团队提出了一种新材料——双层Kagome硼烯(命名为“BK-硼烯”),其在费米能级附近同时具有传统和高阶van Hove奇点,费米速度甚至超越了石墨烯。该结构的提出将为量子材料系统和其他领域的研究提供全新的平台,相关内容发表在国际专业期刊Advanced Science上。

  Kagome晶格是一种共角连接三角形构成的二维结构,其呈现诸如van Hove奇点、平带以及Dirac能带等特点,在探索新型材料和量子效应方面具有重要的潜力,因而寻找具有稳定Kagome晶格的材料成为科学工作者的一个重要目标。早在2017年,该团队与实验合作者就利用扭转的双层硅烯产生电子Kagome晶格,从而实现非拓扑平庸的平带结构(Sci. Adv.2018, 4, eaau4511)。在最近的工作中,该团队基于对称性破缺的理念独立设计了一系列新型晶格结构(Carbon Trends 2023, 11, 100256;Chin. Chem. Lett. 2022, 33, 3941;Front. Phys., 2022, 17, 63505),并同实验研究组合作提出调控低维材料电子特性的方案(Small 2023, 19,2302192;ACS Nano 2022,16,13014)。在此基础上,团队成员通过将双层Kagome晶格旋转60度排列,设计了一种全新的晶格,并基于紧束缚近似模型,通过调控层间耦合强度来实现传统van Hove奇点向高阶van Hove转变(图1)。以该晶格为基础引入硼元素,通过系统的第一性原理计算,从而进一步提出BK-硼烯这种新材料。

图1. 双层Kagome晶格及层间耦合对电子结构的调控。

  双层Kagome硼烯之所以备受瞩目,是因为它在费米能级附近同时具有传统和高阶van Hove奇点。相较于传统van Hove奇点,高阶奇点的发散性更强,可以促进复杂量子相的形成,从而引发一系列有趣的电子现象。不仅如此,双层Kagome硼烯中的传统和高阶van Hove奇点都在同一条能带中,而且高阶van Hove奇点恰好位于类狄拉克能带中,为实现复杂的关联效应提供了可能(图2)。这使得科学家们可以更深入地研究和探索这些奇点,以解锁新奇的电子现象,例如可以通过控制电子态来研究和实现超导性质,从而为超导研究提供关键平台。除此之外,BK-硼烯中的费米速度甚至达到了1.3× 106 m/s,超越了石墨烯,表明它在电子输运方面具有非凡的潜力。这一独特材料完全通过三中心两电子(3c-2e)σ型键形成,从而在各个维度上都表现出令人瞩目的稳定性——包括能量、动力学、热力学和机械稳定性,进一步拓展了该结构的应用前景。这一发现在量子材料的研究中开辟了新的视野,其独特的电子性质、超越石墨烯的费米速度,以及传统和高阶van Hove奇点的共存,为未来在超导性、电荷密度波、铁磁性和其他尖端量子现象方面的突破提供了潜力。

  

图2. 双层Kagome硼烯的电子结构及van Hove奇点(黑色箭头代表传统van Hove奇点,红色箭头代表高阶van Hove奇点)。

  南开大学为该项工作的第一完成单位及通讯单位。南开大学博士后高乾为该文章的第一作者,胡振芃教授为通讯作者。该工作得到了国家自然科学基金重点项目的资助。

  文章链接:

  https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202305059

编辑:丛敏

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