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[转载]数据论文 | 一维原子线的高通量筛选及其电子态性质的第一性原理计算

已有 355 次阅读 2021-6-1 13:20 |系统分类:论文交流|文章来源:转载

数据论文 | 一维原子线的高通量筛选及其电子态性质的第一性原理计算

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文章信息.png

High-throughput identification of one-dimensional atomic wires and first principles calculations of their electronic states

Feng Lu(卢峰), Jintao Cui(崔锦韬), Pan Liu(刘盼), Meichen Lin(林玫辰), Yahui Cheng(程雅慧), Hui Liu(刘晖), Weichao Wang(王卫超), Kyeongjae Cho, and Wei-Hua Wang(王维华)

Chin. Phys. B, 2021, 30 (5): 057304

文章介绍.png

从范德瓦尔斯(vdW)块体材料中剥离出来的一维原子线,因具有截面尺寸小、无悬挂键、物理化学性质优异等特性,非常适合应用于下一代亚纳米电子/光电器件。然而,目前已知的一维原子线种类有限,大大限制了对其奇异物理性质的研究与实际器件应用的探索。针对这一问题,南开大学电子信息与光学工程学院王维华教授团队通过分析材料数据库(Materials Project),筛选出可能的367种一维vdW块体材料,并从理论上系统地计算分析了相应的一维原子线的结构稳定性、电子结构性质以及剥离的可行性,发现一维原子线体系展现出一维半导体、一维金属、一维磁性以及一维狄拉克半金属、一维平带等丰富的且具有重要研究价值的电子态性质。基于此,建立并借此发布了一维原子线数据库,旨在为后续低维材料奇异量子态的研究以及器件的应用提供一个理想的一维原子线体系平台。该文章以“High-throughput identification of one-dimensional atomic wires and first principles calculations of their electronic states (一维原子线的高通量筛选及其电子态性质的第一性原理计算)”为题,在Chinese Physics B 第5期“数据论文”栏目正式出版。


研究背景.png

随着电子器件的不断发展,单个晶体管的尺寸已经减小到纳米尺度。因此,低维材料在晶体管内部结构和晶体管之间的互联中将发挥越来越重要的作用。以石墨烯、TMDs、MXenes等为代表的二维材料的研究已较为成熟。除此之外,一维材料也是当前科学界和产业界关注的前沿和热点之一,例如,石墨烯纳米带、碳纳米管等。然而,石墨烯纳米带边缘的悬挂键将会影响器件的性能,而高纯度单一属性碳纳米管的制备也极具挑战。因此,寻找天然的一维vdW材料非常必要。类似于从石墨中剥离得到的石墨烯,同样存在可以从vdW块体材料中剥离出来的一维材料,其不存在悬挂键,而且往往具有更小的截面尺寸,因此我们称之为“一维原子线”。相较于二维材料,一维原子线具有更明显的量子尺寸效应,组合成器件的方式也更加多样,并且从基础研究的角度来看,一维原子线具有Peierls相变、自旋电荷分离等独特的物理性质;相较于零维材料,一维原子线仍然具有一维方向上的周期性结构。因此无论从器件应用还是基础研究角度,一维原子线都极具探索价值。然而目前发现的一维原子线数量有限,大大限制了其实验研究与大规模器件应用探索。通过高通量筛选潜在的一维原子线,并系统地结合第一性原理计算研究其电子态性质可以大大加快一维原子线的研究进程,同时为后续的研究和实际应用提供理论参考。

内容简介.png

为了搜索潜在的一维原子线体系,我们可以从材料数据库中筛选一维范德瓦尔斯块体材料,基于此构建潜在的一维原子线材料体系。本文基于G. Cheon等人的方法【Nano Lett. 2017, 17, 1915】,提出了一种识别一维范德瓦尔斯块体材料的方法,并基于Materials project数据库识别并筛选出367种一维范德瓦尔斯块体材料。通过统计分类发现大部分为单斜或正交晶系,而且二元、三元原子线占比超过80%。根据典型原子线的声子谱数据与一、二元一维原子线的剥离能数据发现,72%的一、二元一维原子线容易从块体结构中剥离出来。考虑到3d过渡金属元素中电子之间具有较强的关联,易于产生磁性,本文计算分析了3d过渡金属化合物中不同的磁基态构型,得到了22种铁磁基态的一维原子线与39种反铁磁基态的一维原子线。更值得关注的是,这367种一维原子线的电子结构展现出了丰富的电子态性质,例如一维绝缘体、一维半导体、一维金属、一维磁性以及一维狄拉克半金属、一维平带等具有重要研究价值的体系。全面详细的数据请参考随文发表的pdf版本补充材料(共138页)。同时,为方便相关领域研究人员的使用和参考,本文将上述计算结果汇总并建立了包含一维原子线体系的结构、电子结构性质及参数的数据库并已经在Science Data Bank布,以期为相关领域的科研人员在后续探索一维奇异量子态基础性质以及开发基于一维原子线体系的实际器件的工作中提供参考和使用平台。


南开大学电子信息与光学工程学院卢峰教授为第一作者,电子信息与光学工程学院王维华教授为通讯作者。该项工作得到了国家自然科学基金和国家重点研发计划的资助。


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