对具有室温反铁磁性、多铁性和拓扑态的二维五角形材料进行计算筛选

二维平面五边形晶体通过高通量计算筛选出37种动态稳定材料，兼具铁磁、反铁磁及交替磁有序态，并发现首例交替磁半导体Mn4N2，其纯自旋极化传输窗口达0.78 eV巨自旋分裂，且具有应变可调的能带劈裂特性。同时揭示Fe4C2和Mn4C2中的本征型II多铁性，以及Mo2S4和W2Te4拓扑磁绝缘体（Chern数2）的拓扑边缘态。温度驱动五边形到Lieb晶格的结构相变伴随拓扑态切换和金属-半导体转变。这为对称驱动多功能材料在自旋电子学、纳米电子学和量子器件中的应用奠定基础。

　　

摘要

二维平面五角形晶体因其几何上的“挫折”晶格结构以及由此产生的量子现象而备受关注，但由于规则五边形与欧几里得铺砌方式的本质不兼容性，其实现一直颇具挑战性。在此，我们通过对1470种化学计量比的候选材料进行高通量计算筛选，发现了37种动态稳定的二元平面五角形单层结构。这些材料展现出室温磁性，包括铁磁性（居里温度（T_C）高达521 K）、反铁磁性（奈尔温度（T_N）高达761 K）以及交替磁性（T_N = 984 K）的基态，并具有前所未有的电子态：狄拉克半金属、狄拉克半金属、节点环半金属、节点环半金属以及具有巨大自旋分裂（0.78 eV）的交替磁性半导体（Mn₄N₂）。后者实现了纯自旋极化传输窗口（?0.04至0.36 eV），并且在4%的单轴应变下可调节能隙分裂（18.2 meV）。Fe₄C₂和Mn₄C₂表现出内在的II型多铁性，具有面内电极化（1.4和1.6 pC/m）、铁弹性（0.8%和1.2%的可逆应变）以及手性反转。拓扑能带分析在狄拉克半金属五角形结构中发现了手性边缘态，而在Mo₂S₄和W₂Te₄中发现了切尔恩数为∣C∣ = 2的磁性拓扑绝缘体。Os₂S₄和Tc₂S₄在温度驱动下从五角形晶格转变为Lieb晶格，伴随着拓扑态的切换以及金属到半导体的转变。这项工作将五角形晶格确立为一个基于对称性驱动的多功能平台，将几何上的“挫折”特性与自旋电子学、纳米电子学和量子器件的应用联系起来。

二维平面五角形晶体因其几何上的“挫折”晶格结构以及由此产生的量子现象而备受关注，但由于规则五边形与欧几里得铺砌方式的本质不兼容性，其实现一直颇具挑战性。在此，我们通过对1470种化学计量比的候选材料进行高通量计算筛选，发现了37种动态稳定的二元平面五角形单层结构。这些材料展现出室温磁性，包括铁磁性（居里温度（T_C）高达521 K）、反铁磁性（奈尔温度（T_N）高达761 K）以及交替磁性（T_N = 984 K）的基态，并具有前所未有的电子态：狄拉克半金属、狄拉克半金属、节点环半金属、节点环半金属以及具有巨大自旋分裂（0.78 eV）的交替磁性半导体（Mn₄N₂）。后者实现了纯自旋极化传输窗口（?0.04至0.36 eV），并且在4%的单轴应变下可调节能隙分裂（18.2 meV）。Fe₄C₂和Mn₄C₂表现出内在的II型多铁性，具有面内电极化（1.4和1.6 pC/m）、铁弹性（0.8%和1.2%的可逆应变）以及手性反转。拓扑能带分析在狄拉克半金属五角形结构中发现了手性边缘态，而在Mo₂S₄和W₂Te₄中发现了切尔恩数为∣C∣ = 2的磁性拓扑绝缘体。Os₂S₄和Tc₂S₄在温度驱动下从五角形晶格转变为Lieb晶格，伴随着拓扑态的切换以及金属到半导体的转变。这项工作将五角形晶格确立为一个基于对称性驱动的多功能平台，将几何上的“挫折”特性与自旋电子学、纳米电子学和量子器件的应用联系起来。