顶刊动态 | PRL/PRB计算材料学术进展汇总【第8期】

1、PRB：磷烯纳米带的激子谱和光谱

图2 4-zPNR对沿zz方向偏振光的光吸收

自从磷烯诞生以来，特别是2014年成功利用黑磷剥离得到磷烯之后，先进二维（2D）晶体材料中的这一成员以其独特的性能吸引了很多的关注。磷烯有∼1.4 eV的直接带隙、高载流子迁移率以及用于场效应晶体管的高开关比。事实上，磷烯成为一个特殊2D系统的原因是其具有高度的各向异性。

伊朗基础科学研究所（IPM）的Reza Asgari（通讯作者）和Zahra Nourbakhsh（通讯作者）在多体从头算计算的基础上，利用单脉冲G0W0方法和Bethe Salpeter方程，对磷烯纳米带（PNRs）的锯齿型和扶手椅型这两个典型方向进行了研究。研究小组计算了不同尺寸的PNRs的电子结构、光吸收、电子空穴（激子）结合能、激子交换劈裂以及激子波函数。单重态激子和三重态激子之间典型的强劈裂使得PNRs有望用于光电器件中。量子限域在两种PNRs中都存在，其中在zPNRs系统更加强烈，其行为类似于准零维系统。研究表明多体相互作用对PNR的光吸收光谱有着重要影响，而且是不能忽视的。

文献链接：Excitons and optical spectra of phosphorene nanoribbons （Phys. Rev. B，2016，DOI: 10.1103/PhysRevB.94.035437）

2、PRB：石墨烯上的锯齿形石墨纳米带的半金属狄拉克锥

图2 K点附近的电子能带结构

石墨烯的发现激发了基于石墨烯的纳米结构和它们的衍生物浓厚的的研究兴趣，如范德华力（vdW）异质结构。石墨烯中的一个有趣的特点是真实自旋和赝自旋的结合，这使得在这一独特的两维系统中产生了丰富物理现象，例如反常量子霍尔效应。

鉴于独立的锯齿型石墨烯纳米带是反铁磁半导体，美国威斯康辛大学的M. X. Chen（通讯作者）等人通过第一性原理与紧束缚计算得到，在石墨烯上的锯齿型石墨烯纳米带由于自旋和赝自旋对称性破缺导致其为半金属。特别地，半金属狄拉克锥体是在费米能级附近的K（K'）点上形成的。目前的结果表明，在锯齿型石墨纳米带中独特的自旋和赝自旋的结合可以被用于操纵石墨烯的电子特性，并且可能对有潜力的石墨烯纳米电子器件产生实际影响。

文献链接: Half-metallic Dirac cone in zigzag graphene nanoribbons on graphene （Phys. Rev. B，2016，DOI: 10.1103/PhysRevB.94.035433）

3、PRB：夹层石墨烯中的非常规量化边缘运输

图3 G/i-Ta/SiC的俯视图与侧视图

人们普遍认为，边缘耦合破坏了量子自旋霍尔效应（QSH），还使狄拉克点出现缺口。

利用第一性原理计算，国家纳米科学中心李元昌（通讯作者）研究发现：Ta插层外延石墨烯SiC是利用第一性原理计算的系统，量化边缘输运坚持Ta嵌入外延石墨烯的SiC（0001）上存在边缘耦合，它是一个81 meV巨大电势差的QSH绝缘体。在这种情况下，它们由特有的具有不同的费米速度的狄拉克锥构成，但只有一个保持边缘状态的功能。我们把这样的轨道依赖性减弱的反常边缘状态归因于体积，体积的限制使得边缘耦合只能允许一组边缘状态，而不是两个。文章中与常规研究的QSH的关键区别在于G/i-Ta/SiC中显著的拉什巴分裂，导致边缘态明显衰退。绝缘子是G / I-TA /碳化硅的显著拉什巴分裂，这导致边缘状态的不同衰减长度成批量。因此，随着G/i-Ta/SiC色带宽度减少，依次出现三个相态，即（1） QSH时间反演对称性保护态（2）互动量化边缘传输状态，（3）琐碎绝缘体状态。在阶段（2）中，同时存在体积和边缘狄拉克费米子，这是因为边缘耦合只有一组边缘态。这些研究结果对于更加深刻的理解拓扑相变和拓扑保护量化运输有着很大的理论意义和价值。

文献链接：Unconventional quantized edge transport in the presence of interedge coupling in intercalated graphene（Phys. Rev. B，2016，DOI: 10.1103/PhysRevB.94.035147）

4、PRB：IV族单硫族化物的极化和谷值开关

图4  均匀电场过渡点中的单层SnS可视化结构（注：褶皱和电偶极取向（红色箭头）可以从正x（b）至切换任负x（a）或正的y（C），这取决于所应用的电场方向）

IV族单硫化物是二维皱褶材料家族中的一员，具有由极性层的构成的斜方晶系结构。通过第一性原理计算显示单层的SnS和GESE的多稳态，两原材料褶皱的方向可由拉伸应力或施加电场改变。此外，势场中两个不等的低谷由褶皱的方向决定，可使用直线偏振光选择性激发，这为确定偏振方向提供了额外的工具

最近，波士顿大学David K. Campbell（通讯作者）和新加坡国立大学Harold S. Park（通讯作者）等人分析IV族单硫化物单层的稳定性，单硫族化物MX（M = Ge、Sn，X = S、Se），以SnS的和GeSe作为原型。在一定环境条件下，SnS和GeSe结晶为Pnma空间群斜方晶系结构。 温度为878 K时，SnS的经过二阶位移相过渡到β-SnS相，对称性变为Cmcm。对于GeSe，并未发现这样的相变过程。相反，在924K，GeSe转变成在岩盐相（空间群Fm3m）。此阶段也通过外力使之稳定。研究结果表明，SnS的和GeSe单层可能观察到的铁电性和多稳定性，在信息存储方面有潜在应用。

文献链接：Polarization and valley switching in monolayer group-IV monochalcogenides（Phys. Rev. B，2016，DOI: 10.1103/PhysRevB.94.035304）

5、PRB：非晶氧化物中深电子空穴对的极化和非极化研究

图5 由于局域化和额外电子造成的Hf和O离子典型的自旋密度分布和位移（单位为Å）

非晶α-HfO2是一种应用广泛的高介电常数绝缘体的原型。

近日，日本东北大学的Moloud Kaviani（通讯作者）、英国伦敦大学的Alexander Shluger（通讯作者）、比利时鲁汶大学Valery V. Afanas'ev（通讯作者）以及日本东北大学和英国伦敦大学Alexander L. Shluger（通讯作者）使用从头计算法，成功发现多余的电子和空穴能够以一种比单斜晶相更深的能量极化态陷入α-HfO2中。电子空穴对定位于前躯体，比如细长的Hf-O键或者调节后的Hf和O原子，同时，极化子被无定形局域网络放大。单电子极化使得禁带宽度约为2ev，低于导带底的平均的陷阱能1eV。而在同样的设置下，双电子可以形成甚至更深的非极化态。空穴可以使得O离子的平均陷阱能为1.4eV。这些就使得研究人员通过证实深度极化态是固有的同时不再要求任何键的断裂来形成前驱体位，就这样从而理解了非晶氧化物中的电荷俘获机制。

文献链接：Deep electron and hole polarons and bipolarons in amorphous oxide （Phys. Rev. B，2016，DOI:10.1103/PhysRevB.94.020103）

6、PRL：自组织生长、结构和单原子链的磁性过渡金属氧化物

图6 具有3x1周期性结构的CoO2在铱（100）晶面上（a）LEED分析；（b）大尺度下其STM图；（c）原子级STM图，其中的插图是DFT法分析结果；（d）大尺度下的STM图

近日，德国埃尔朗根-纽伦堡大学的Pascal Ferstl（通讯作者）和奥地利维也纳技术大学的Florian Mittendorfer（通讯作者）等人合作，对具有3x1周期性变化的单原子过渡金属氧化物链的自组织生长机制以及不寻常的MO2类（M表示Ni、Co、Fe、Mn）金属氧化物进行了报道。他们利用定量低能电子衍射（LEED）、扫描隧道显微镜（STM）以及密度泛函理论（DFT）几种计算分析方法分析了这些氧化物的结构和磁学性能。LEED的分析结果揭示一个令人着迷的原子结构，其中的过渡金属原子位于失行结构表面并且仅通过氧原子与基底成对。这种结构进一步利用偏差小于1.7 pm的结构参数DFT法进行了确认。其中，DFT法预测NiO2链无磁性，CoO2链具有铁磁性，而FeO2和MnO2均为反铁磁性。所有的结构表明只有弱铁磁性的链间能够成对。进一步来说，他们证实了Co和Fe或者与Ni的二元合金氧化链在铱基底（100）晶面方向的生长，这一成果的发现，可以使得他们能够生产出由于非磁性或者反铁磁性而具有不同长度的良好控制性的铁磁性链整体。

文献链接：Self-Organized Growth, Structure, and Magnetism of Monatomic Transition-Metal Oxide Chains （Phys. Rev. Lett. ，2016 DOI: 10.1103/PhysRevLett.117.046101）

7、PRB：ScF3中的反常热导率与负热膨胀的抑制

图7 左图为在15×15×15的晶格中，声子寿命的能量函数；右图为插入与不同温度相对应的第一、第二力常数计算得到的热导率

对于获得在给定温度范围内无体积变化的材料，固体中由非谐性引起的负热膨胀系数（NTE）是至关重要的。因此通过从头计算法找到具有这种行为的材料是一个重要的问题。最近，ScF3的发现吸引了众多的关注，这种钙钛矿结构氟化物的NTE达到了1100K。但是到目前为止，还很少有工作通过计算来理解和重现这种负热膨胀的行为。而且，目前也没有文献报道ScF3热导率的计算和测量方式。

法国CEA LITEN实验室Ambroise van Roekeghem（通讯作者）等人通过从头计算法，获得钙钛矿型ScF3的高效温度声子谱，清晰地描述了这种化合物以及负热膨胀抑制的行为。基于这个结果，预测了热导率反常的温度依赖性，并将此作为钙钛矿类化合物的普遍特征。最后，展示了高温下负热膨胀的抑制在准谐近似的范围之外，并从格律乃森（Grüneisen）参数方面讨论了这个现象。

文献链接：Anomalous thermal conductivity and suppression of negative thermal expansion in ScF3. （Phys. Rev. B，2016，DOI: 10.1103/PhysRevB.94.020303）

本期文献汇总由材料人编辑部计算材料组carbon、天行健、李亦回和徐双玉供稿，材料牛编辑整理。

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