中國網/中國發展門戶網訊 中國科學院金屬研究所沈陽材料科學國家研究中心材料設計與計算研究部的研究人員與合作者提出了插層構筑強鍵合方法，設計了新型MA₂Z₄材料家族，進一步拓展了這一家族的候選材料和物性，相關研究成果近期發表在國際學術期《自然·通訊》。

據悉，現在研究的石墨烯、六方氮化硼、二硫化鉬和MnBi₂Te₄等均屬于六元環無機二維材料。目前二維材料的設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的二維材料結構。設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用，具有重要的科學意義和實用價值。

據介紹，在前期工作基礎上，研究人員發現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類型結構插入α-InSe或β-InSe類型結構中形成的“三明治”結構。在“三明治”的層間界面處發生強化學鍵合，形成了全新的材料體系。由此，研究人員提出了插層構筑強鍵合的方法，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合，實現新的功能組合體。

研究人員利用該插層構筑強鍵合的方法，針對MA₂Z₄二維材料家族，設計了39種二維由七個原子層組成的結構原型，并通過高通量計算對每種結構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合成的MnBi₂Te₄和MoSi₂N₄材料，而且也預測出72種新的MA₂Z₄二維材料。這些新的MA₂Z₄二維材料表現出了拓撲絕緣體、磁性半導體、超導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計提供了思路。

該項研究主要由金屬所沈陽材料科學國家研究中心完成，并與湖南師范大學合作。金屬所陳星秋研究員和湖南師范大學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

MA₂Z₄二維材料插層構筑強鍵合原理示意及結構篩選

MA₂Z₄材料家族穩定性

計算預測的β₂-SrGa₂Te₄的拓撲絕緣體性質

 計算預測的α₁-TaSi₂N₄的伊辛超導性