纯计算ACS Nano: ABINIT开发组在二维材料高压研究最新进展

第一作者：Christian Tantardini

通讯作者：Christian Tantardini, Alexander G. Kvashnin, Xavier Gonze

通讯单位：斯科尔科沃科学技术研究院，鲁汶大学

为了研究将硅用作场效应晶体管(FET)压力传感器的可能性， 斯科尔科沃科学技术研究院Christian Tantardini和Alexander G. Kvashnin,联合鲁汶大学Xavier Gonze等人 研究了单层和多层硅的化学性质，重点研究了压力下的轨道杂化变化。第一性原理计算表明，压力的影响在很大程度上取决于硅膜的厚度，但也揭示了实际实验条件(压力不是静水压力)的影响。为此，他们引入各向异性应变状态。通过将纯单轴应力施加到硅层上，与纯静水压不同，找到了从sp3硅到sp3d硅的路径。即使存在混合模式应力(面内压力为面外压力的一半)，他们也没有找到这样的路径。除了介绍研究2D材料的理论方法外，他们还展示了硅在压力下的轨道杂化变化如何使其成为一个好的FET压力传感器。

图1：硅的原子结构(a)单层，(b) AA和(c) AB双层，以及(d) AAA和(e) ABC三层

原文链接：

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.0c10609

课题组主页：

https://crei.skoltech.ru/cest/people/christiantantardini

https://perso.uclouvain.be/xavier.gonze/

在凝聚态物理中，拓扑为理解和 探索 新型量子态提供了可能。强耦合光-物质系统中的拓扑光子学，为新一代可调光学设备提供了可能性。

激子极化子已经成为 探索 连接电子和光子系统的新拓扑物质的重要平台。激子极化子是半光半物质的准粒子，是由于激子和光子之间的相干能量传递速率超过它们的衰减速率时，它们之间的强杂交而产生的。研究表明，拓扑极化子，即混合激子-光子准粒子可以实现无散射手性传播。

但迄今为止，这些实验必须要在4K深低温和强磁场下进行。

有鉴于此， 宾夕法尼亚大学Ritesh Agarwal等人和湖南大学潘安练等人 合作，实现了温度高达200 K的螺旋拓扑极化子。

考虑到单层过渡金属二硫属化合物（TMDs）具有激子振荡强度，是在较高温度下 探索 二维极化子物理的极佳选择，而其超薄几何形状则可确保对底层光子晶体的能带结构的干扰最小。 研究人员以单层WS2为研究对象，单层WS2激子中没有外部磁场，通过将单层WS2激子与拓扑非平凡的六角形光子晶体强耦合，证明了在类似QSH系统中的螺旋拓扑极化子。

类似于QSH绝缘子中的螺旋边缘状态，该系统中的拓扑激子-极化子不同于其平凡的对应态。具有不同螺旋度的极化子沿相反的方向传播，并且在拓扑上受到保护，不会反向散射。拓扑螺旋极化子为经典和量子信息处理应用为开发稳健可调的极化子自旋电子器件提供全新的平台。

总之，这项研究为拓扑材料的发展提供了新机遇，极大地推动了拓扑器件的实现。

二维材料家族涵盖了绝缘体、半导体、半金属、金属和超导体，是目前凝聚态物理和材料科学领域的研究热点。制备高质量的二维材料，特别是原子层量级的超薄材料，是开展本征物性研究和探索新现象的基础。

随着研究的深入，多种二维材料的制备手段逐渐发展起来，包括化学气相沉积法（CVD），分子束外延法（MBE）、液相剥离法和机械解理法等。化学气相沉积法可以制备大面积的二维材料，但对于不同材料制备工艺差异很大，在单晶性、缺陷、层数等方面难以控制，为深入研究二维材料的性质带来了挑战；分子束外延法可以获得单晶质量很高的样品，但对于真空度、元素的物理性质以及基底的选择都有极高的要求，很多二维材料难以通过MBE方法制备，并且在某些材料体系中（如单层FeSe），分子束外延法生长的二维材料与基底存在显著的相互作用，影响到对于材料本征物性的研究。液相剥离法可以实现二维材料的量产化制备，对于工业化应用有重要应用潜力，但这种制备方法在制备过程中会引入缺陷和液相污染，不利于研究二维材料的本征性质。

2004年，诺贝尔物理学奖得主Geim教授和Novoselov教授最早发展出了机械解理技术，并获得了单层石墨烯，掀起了二维材料的研究热潮。近十年来，机械解理技术已被广泛应用于制备各种高质量的二维材料。石墨烯、MoS2以及单层高温超导材料Bi2212等诸多材料的本征物理性质，都是在机械解理的样品上观察到。在异质结和转角石墨烯等人造晶体中，机械解理的样品也同样展现出独特的优势。机械解理的样品与基底相互作用弱，制备过程简单，样品质量高，这些优势使得该方法在二维材料研究中获得了极大的成功。但是随着研究的深入，人们发现该方法同样存在许多不足，特别是制备效率低和样品尺寸小等问题，限制了许多先进的实验手段如扫描隧道显微镜（STM）、红外-太赫兹光谱以及角分辨光电子能谱（ARPES）对二维材料的研究。

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