中國網(wǎng)/中國發(fā)展門戶網(wǎng)訊 中國科學(xué)院金屬研究所沈陽材料科學(xué)國家研究中心材料設(shè)計與計算研究部的研究人員與合作者提出了插層構(gòu)筑強鍵合方法，設(shè)計了新型MA₂Z₄材料家族，進一步拓展了這一家族的候選材料和物性，相關(guān)研究成果近期發(fā)表在國際學(xué)術(shù)期《自然·通訊》。

據(jù)悉，現(xiàn)在研究的石墨烯、六方氮化硼、二硫化鉬和MnBi₂Te₄等均屬于六元環(huán)無機二維材料。目前二維材料的設(shè)計主要是通過將三維范德瓦爾斯層狀材料剝離得到其對應(yīng)的二維材料結(jié)構(gòu)。設(shè)計無已知三維母體材料的二維層狀材料，可極大拓展二維材料的物性和應(yīng)用，具有重要的科學(xué)意義和實用價值。

據(jù)介紹，在前期工作基礎(chǔ)上，研究人員發(fā)現(xiàn)由七個原子層組成的單層MnBi₂Te₄和單層MoSi₂N₄材料可以看作2H-MoS₂或1T-MoS₂類型結(jié)構(gòu)插入α-InSe或β-InSe類型結(jié)構(gòu)中形成的“三明治”結(jié)構(gòu)。在“三明治”的層間界面處發(fā)生強化學(xué)鍵合，形成了全新的材料體系。由此，研究人員提出了插層構(gòu)筑強鍵合的方法，該方法是通過將不同種類二維材料堆疊或插層，二維材料之間的界面通過金屬鍵、共價鍵或離子鍵的方式結(jié)合，實現(xiàn)新的功能組合體。

研究人員利用該插層構(gòu)筑強鍵合的方法，針對MA₂Z₄二維材料家族，設(shè)計了39種二維由七個原子層組成的結(jié)構(gòu)原型，并通過高通量計算對每種結(jié)構(gòu)原型考慮了不同元素間的90種組合，計算不但驗證了實驗已經(jīng)合成的MnBi₂Te₄和MoSi₂N₄材料，而且也預(yù)測出72種新的MA₂Z₄二維材料。這些新的MA₂Z₄二維材料表現(xiàn)出了拓撲絕緣體、磁性半導(dǎo)體、超導(dǎo)體和電子能谷自旋極化等豐富物性。該工作不僅拓展了MA₂Z₄二維材料家族的材料與新物性，而且也為無三維母體的二維新材料體系和功能設(shè)計提供了思路。

該項研究主要由金屬所沈陽材料科學(xué)國家研究中心完成，并與湖南師范大學(xué)合作。金屬所陳星秋研究員和湖南師范大學(xué)陳明星教授為本文的通訊作者，金屬所博士生王磊為第一作者，博士生劉鳴鳳和時永鵬參與了該工作。

90種MA₂Z₄二維材料元素組合示意圖

MA₂Z₄二維材料插層構(gòu)筑強鍵合原理示意及結(jié)構(gòu)篩選

MA₂Z₄材料家族穩(wěn)定性

計算預(yù)測的β₂-SrGa₂Te₄的拓撲絕緣體性質(zhì)

 計算預(yù)測的α₁-TaSi₂N₄的伊辛超導(dǎo)性