华科在新型二维反−范特霍夫/勒贝尔阵列AlB6−ptAl−array纳米片的设计和预测研究中取得重要进展

1 月 29 日，《美国化学会志》（ Journal of the American Chemical Society ）杂志发表了化学与化工学院杨利明研究团队的研究成果《 二维反 − 范特霍夫 / 勒贝尔阵列 AlB6−ptAl−array 纳米片，具有很高的稳定性、非常独特的几何结构、新奇的三重狄拉克锥和狄拉克节点环、以及超导电性》（ Two-Dimensional Anti-Van’t Hoff/Le Bel Array AlB6 with High Stability, Unique Motif, Triple Dirac Cones, and Superconductivity ）。化学与化工学院博士后宋冰宜为论文第一作者，杨利明是论文的唯一通讯作者，华中科技大学是唯一通讯单位。

自石墨烯发现以来，二维材料在科学界和工业界引起了广泛兴趣。有很多种二维材料在实验上被制备出来，但是每种二维材料都有各自的局限性，相应的应用范围和领域受到很大程度的限制。因而迫切需要设计和研发具有稳定性高、拓扑结构独特、性质奇异的新型多功能二维材料。

杨利明课题组借助高性能计算日益强大的计算能力和预测能力，将晶体结构搜索与第一原理计算和分子动力学模拟相结合，系统深入地研究了二维 AlB6 纳米片的晶体结构、电子结构、稳定性、力学性质、超导电性、化学键。研究结果表明 2D AlB6 纳米片是一种极具前景且非常罕见的新型二维材料。全局最稳定结构 AlB6−ptAl−array 是一个极其罕见的平面四配位铝（ ptAl ）阵列夹在两个褶皱硼单层之间所形成的规整有序、紧密排列的高度稳定结构，分子动力学模拟表明 AlB6−ptAl−array 可在高温（ 2080K ）下稳定存在。力学性能比石墨烯优越，其面内杨氏模量比石墨烯大很多，电子结构计算表明： AlB6−ptAl−array 是金属性材料，狄拉克费米子，具有三重狄拉克锥和狄拉克节点环。更意外的是， AlB6−ptAl−array 具有超导电性， Tc 为 4.7 K ，令人惊奇的是，在 12% 的拉伸应变下， Tc 大大升高到达 30 K ，远高于液氢的温度。化学键分析表明铝和硼之间主要是离子键，也包含一部分共价键，但是硼和硼之间主要是共价键。除了 全局最稳定结构 AlB6−ptAl−array 之外，我们还预测了一系列亚稳态结构，分子动力学模拟和声子谱计算表明这些亚稳态结构能够稳定存在。总的来说，二维 AlB6 纳米片呈现丰富的结构多样性，其化学环境有多种配位模式（包括四、五、六、七、八）。 这些优异性能为 二维 AlB6 纳米结构通向纳米电子学和纳米力学、甚至超导的应用奠定基础。非常高的稳定性预示着 这些新预测的 AlB6 二维纳米片结构有望在实验上被制备出来，并用于纳米电子器件，力学器件，超导体等相关领域。该工作为二维铝硼材料开辟了一个新分支，同时，也为 二维反 − 范特霍夫 / 勒贝尔阵列的研究开辟了一个新领域。 有望对理论预测和实验制备新型二维材料的研究起到积极地促进和推动作用。

图 1 ，全局能量最小结构 AlB6-ptAl-array 的俯视图，侧视图和斜视图

图 2 ， AlB6-ptAl-array 的电子结构

图 3 ， (a) 具有声子线宽的声子色散谱， (b) 声子态密度 (PhDOS) ， (c)Quantum Espresso 计算得到 Eliashberg 谱函数 α 2 F ( ω ) 和电子 - 声子耦合强度 λ ， (d) 态密度的费米能级 N ( E F ) 和对数平均频率 ω log 随施加应变的演变图， (e)EPC 和 T c 随施加应变的演变图。

该工作得到了国家自然科学基金面上项目（ NSFC ）、华中科技大学人才引进基金、华中科技大学自主创新基金等资助