多功能低维(CuI)P4Se3：超柔特性、可调电子性能与掺杂诱导磁性

《Physica B: Condensed Matter》：Multifunctional low-dimensional (CuI)P 4Se 3 with superior flexibility, tunable electronics, and doping-induced magnetism

　　

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  预测了一种新型范德华材料（CuI）P₄Se₃，其具有二维和一维两种形态。
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  剥离得到的二维和一维（CuI）P₄Se₃表现出优异的动力学和热稳定性。
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  二维单层同时兼具强柔韧性、高迁移率和可见光吸收能力。
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  载流子掺杂在1D纳米链中诱导出稳健的半金属磁性。

引言

现代电子技术持续向微型化、高集成化和智能化方向演进，对低维功能材料产生了强烈的需求[1]、[2]、[3]、[4]、[5]。与其体相 counterpart 相比，由三维约束至二维或一维的低维材料往往表现出非凡的物理性质，包括显著的量子限域效应、强表面和界面响应、优异的机械柔韧性、可调电子结构、高载流子迁移率以及各向异性物理行为[6]、[7]。维度的降低常常产生体相对应物中所不具备的物理性质，从而在光伏、光探测、纳米电子、可穿戴设备和传感技术等领域展现出广阔的应用前景[8]、[9]、[10]、[11]。该领域的重要突破在于石墨烯的分离[12]，证明了获得稳定原子级薄晶体的可行性。此后，其他层状材料如过渡金属二硫化物[13]、[14]、[15]和黑磷[11]、[16]的发现，进一步丰富了二维材料家族。这些进展激发了大量工作，以探索新的层状体系并理解其独特的电子、光学和力学行为，从而实现实际应用[17]、[18]。迄今为止，通过实验和理论两种手段，已系统研究了包括金属性[19]、半金属性[20]和半导体性[14]、[16]系统在内的各类二维材料。

一维材料因其高度各向异性的几何结构和不寻常的物理性质，已成为一类重要的低维体系。与二维层状材料相比，一维结构具有受限的横向维度、高比表面积以及大量暴露的原子位点，这通常导致其电子、光学和催化功能的增强。自碳纳米管的开创性发现以来[21]，研究者投入了大量精力探索新型一维材料并理解其结构-性能关系。尤其引人注目的是准一维范德华化合物，其晶体骨架由通过范德华相互作用弱连接的原子链构成[22]、[23]、[24]、[25]、[26]、[27]、[28]、[29]、[30]、[31]、[32]、[33]、[34]。弱的链间耦合使得可以通过类似于从层状材料制备原子级薄层的方法，利用剥离技术从体相晶体中分离出单链。代表性例子包括通过微机械剥离获得的Ta₂(Pd, Pt)₃Se₈纳米线，表现出有趣的电荷输运特性[31]，以及通过溶液辅助剥离制备的CrSbSe₃纳米线，展现出有趣的磁性现象[34]。在实验进展的同时，理论研究也提出了一系列此前未被探索的一维材料，如SbXY（X = S, Se；Y = Br, I）[33]、InSeI [7]、[35]、Ga₃Te₃I [36]和Nb₄SiTe₄ [37]，极大丰富了准一维材料家族。尽管取得了这些进展，目前许多可用的一维材料仍存在若干局限，如载流子迁移率较低、可见光吸收不足和机械鲁棒性较弱[22]、[33]、[35]、[36]。因此，寻找同时具备优良电子、光学、力学和磁性性质的一维新材料，仍是基础研究和器件应用的重要目标。

与主要通过剥离产生二维片的传统层状化合物不同，这些基于链结构的范德华固体提供了从同一母体材料同时获得孤立一维纳米链和超薄二维纳米片的可能性。尽管母体体相晶体具有相同的化学成分，但从二维到一维的转变可以根本性地改变量子限域、电子杂化和晶格相互作用之间的平衡。因此，所得一维和二维结构可能表现出截然不同的电子、光学或输运性质。理解这些依赖于维度的行为不仅对于揭示降维体系的底层物理本质至关重要，也有利于多功能纳米材料的理性设计。因此，探索并比较从链状范德华晶体中剥离得到的一维纳米链和二维纳米片的性质，已成为凝聚态物理和材料科学中的重要研究方向。

在本工作中，我们通过全面的第一性原理计算研究了范德华化合物（CuI）P₄Se₃的维度依赖性性质。由于弱层间和链间相互作用，二维单层和一维纳米链结构均可从体相晶体中获得。基于声子谱和分子动力学模拟的稳定性评估证实，这些孤立结构在能量上是有利的且热稳定的。这两种低维相表现出约2.4 eV的可比半导体带隙，并具备可调的电子响应。值得注意的是，单层具有卓越的机械顺应性，而纳米链在空穴和电子掺杂下发展出稳健的载流子诱导磁性。这些发现揭示了（CuI）P₄Se₃中柔韧性、半导体行为和新兴磁性的共存，为涵盖柔性电子学、自旋电子学和光电学的多功能应用提供了机遇。

各部分摘要

计算细节

第一性原理计算在密度泛函理论（DFT）框架下，利用Vienna 从头算模拟包（VASP）进行[38]、[39]。电子-离子相互作用通过投影缀加波（PAW）方法描述，而交换-关联效应使用广义梯度近似（GGA）框架下的Perdew-Burke-Ernzerhof（PBE）泛函处理[40]。Kohn-Sham波函数在平面波基组中展开，截断能

晶体结构与稳定性

我们首先关注体相（CuI）P₄Se₃材料，该材料于2011年在实验中被获得[51]。如图1(a)所示，（CuI）P₄Se₃由P-Se共价骨架与Cu-I配位单元交织而成，显示出明显的层状堆积结构。P₄Se₃块通过共价键连接，形成鲁棒的三维网络，而Cu原子主要与I原子配位，在P-Se骨架中形成嵌入式的Cu-I键。单元间存在微弱的范德华

结论

在本工作中，通过全面的第一性原理研究，探索了低维（CuI）P₄Se₃体系（包括二维单层和一维纳米链）的结构稳定性和多功能性质。两种构型在常温常压下均被证实具有动力学和热稳定性，表明它们可以从体相中可行地剥离。两种降维结构具有约2.4 eV的可比半导体带隙，这使得

CRediT作者贡献声明

胡浩阳：可视化、调查研究、形式化分析。孟兴旭：撰写-审阅与编辑、可视化、方法论、形式化分析、数据整理。史晓波：撰写-初稿、可视化、调查研究、形式化分析、概念化。尹华兵：撰写-审阅与编辑、监督、软件、资源、项目管理、方法论、经费获取、数据整理、概念化

利益冲突声明

作者声明，他们没有已知的可能影响本文所述工作的竞争性经济利益或个人关系。

利益冲突声明

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致谢

本工作得到了河南省自然科学基金（批准号：252300421217）和河南省计算机科学与技术重点学科建设项目（2023-2027，编号：431）的资助。

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