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北理工团队在二维平带研究领域取得重要进展


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近期,牛牛金花游戏大厅物理学院姚裕贵教授团队提出了一个结合高通量第一性原理计算和二维平带评判标准的双层筛选框架,用以过滤和判定高质量的范德华平带材料。相关研究成果以“Cataloging High-Quality Two-Dimensional Van der Waals Materials with Flat Bands”为题发表在国际顶级期刊《Advanced Functional Materials》上。

固体材料中的新奇物性很大程度上与其电子能带结构密切相关。例如,在诸多能带色散关系中,无色散平带因其自身呈现出超高态密度以及完全猝灭电子动能等特点,导致出现多种强关联物理新效应,包括分数量子霍尔效应、非常规超导和关联绝缘态等,引起凝聚态物理学和材料科学的极大关注。相比于三维材料或当前研究较为广泛的多层转角平带体系,范德华平带体系具有更低的维度和更多的可调性,提供了更清晰的晶格模型,这使得二维范德华材料成为探索平带物理及其潜在应用的理想平台。然而,在平带物理领域研究中,仍然缺乏一种简单高效的方法来寻找具有平带特征的范德华材料。

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图1 筛选二维范德华平带材料的流程图。该筛选流程可以识别平带的特征,并通过“初级靶向”和“二级筛选”两层筛选框架来构建高质量平带材料目录。

姚裕贵教授团队率先提出了一种双层框架来筛选和判定高质量的平带范德华材料。图1展示了筛选二维范德华平带材料的流程图,旨在识别具有合成潜力和易于实验验证的平带材料。通过采用拓扑缩放方法,团队从包含187093种无机晶体结构的数据库中,初步获得了861种潜在的单层材料。为了高效精准地筛选平带目标,姚等人提出了一种简单、通用的规则,即二维平带评分标准,用于有效识别各种候选平带材料,并为二维平带高品质筛选提供指导。通过独特的二维平带评分标准,团队成功诊断出了229种平带候选材料,并进一步判定了74种具有靠近费米能级平带的材料。这项工作提供了一份详尽的、在费米能级附近具有平带特征的高质量范德华材料目录,为进一步探索这类特殊材料的新奇物性提供丰富的材料平台。

该工作得到国家自然科学基金委、科技部、牛牛金花游戏大厅青年教师学术启动计划等单位的支持。牛牛金花游戏大厅物理学院博士生段璟奕、马大帅博士(2021届博士毕业生,现供职于重庆大学)为该工作的共同第一作者,张闰午副教授、姚裕贵教授为共同通讯作者。另外,牛牛金花游戏大厅余智明教授、蒋伟教授、张泽英副教授(2019届博士毕业生,现供职于北京化工大学)、博士生崔朝喜也对此工作做出了贡献。相关结果发表于国际顶级期刊Advanced Functional Materials (IF: 19.0):Jingyi Duan,? Da-Shuai Ma,? Run-Wu Zhang*, Wei Jiang, Zeying Zhang, Chaoxi Cui, Zhi-Ming Yu, and Yugui Yao*; “Cataloging High-Quality Two-Dimensional van der Waals Materials with Flat Bands”, Advanced Functional Materials, 2313067 (2024). (?为共同一作;*为共同通讯作者。)

文章链接:https://doi.org/10.1002/adfm.202313067


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