【材料】华中科大杨利明JACS二维反范特霍夫勒贝尔阵列AlB6纳米片（稳定性高、结构独特、性质奇异）

　华中科大杨利明 JACS 二维反范特霍夫勒贝尔阵列 AlB6 纳米片（稳定性高、结构独特、性质奇异）

　【引言】

　2004 年发现的石墨烯迅速引发了一场二维材料的革命，在科学界和工业界引起了广泛兴趣。迄今为止，已经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。近年来，高性能多尺度计算模拟结合结构搜索在材料设计和制备过程中发挥越来越重要的作用，成为实验研究不可替代的重要方法。因而通过多尺度计算模拟设计一种兼具多种优异性能（独特拓扑结构、高稳定性以及奇异的物理化学性质）的新型二维纳米结构至关重要，同时也是一个重大挑战。

　【成果简介】

　近日，华中科技大学杨利明（唯一通讯作者）等人利用晶体结构搜索，第一原理计算和分子动力学模拟系统深入地研究了二维AlB 6 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 AlB 6 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 AlB 6 −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高度有序、紧密排列的稳定结构，分子动力学模拟表

　明 AlB 6 −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：AlB 6 −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，AlB 6 −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 AlB 6 −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 AlB 6 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 AlB 6 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 AlB 6 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。相关成果以题为“Two-Dimensional Anti-Van’t Hoff/Le Bel Array AlB 6

　with High Stability, Unique Motif, Triple Dirac Cones, and Superconductivity”发表在 JACS 上。

　【图文导读】

　 图 1，二维 AlB 6 纳米片不同结构的分布图(比率和数量)。

　(a)饼状图表示不同结构的数目所占的百分比；图标的左侧是相对 能 量 ， 右 侧 是 相 应 结 构 数 所 占 的 比 例 ， (b) 当 能 量 以0.1eV/atom 的间隔增加时，不同结构的数量随之变化情况。

　 图 2，二维 AlB 6 纳米片的不同结构在 1eV 能量范围内的演变过程。

　图 3，全局能量最小结构 AlB 6 -ptAl-array 的俯视图，侧视图和斜视图。

　 粉红色代表铝原子；米色代表 B 原子。空间群为 Pmmm ，每个单胞内有 7 个原子。在俯视图中，红色虚线表示单胞；绿色虚线表示 B 原子形成的菱形条带。对称性不等价原子用蓝色标记为 Al、B1 和 B2。非常罕见的独特平面四配位铝（ptAl）原子以蓝色圆圈表示。两个原子之间的距离用黑色虚线和双向箭头表示。在侧视图-I 和斜视图-I 中可以清楚地看到 ptAl 构型。

　 图 4，全局最稳定结构 AlB 6 -ptAl-array 的声子色散谱(左)和声子态密度(右)。

　 Γ(0，0，0)，Y(0.0，0.5，0.0)，S(0.5，0.5，0.0)和 X(0.5，0.0，0.0)是倒空间第一布里渊区内的高对称点。

　 图 5，从 500K 到 2200K 分子动力学模拟退火 10ps 示意图（俯视图和侧视图）。

　 在 2080K 下 ， AlB6-ptAl-array 骨 架 能 够 稳 定 存 在 ， 在2100K 时，骨架开始融化和坍塌，2200K 时，骨架融化和坍塌程度更大，呈现明显的无序化。

　 图 6，AlB 6 -ptAl-array 的电子结构。

　 (a)能带结构，(b)总态密度(TDOS)和投影 s、p 轨道的分波态密度(PDOS)，(c)投影 p x ，p y ，p z 的分波态密度(PDOS)，(d)费米面和第一布里渊区的高对称线，(e)三维能带结构中的狄拉克节点环。在(a)中以红色表示三个 Dirac 锥 DC1，DC2 和DC3。费米能级设定为 0eV。

　 图 S4，AlB 6 -ptAl-array 在 PBE 和 HSE06 下的能带结构和Dirac 锥对比

　 黑色是 PBE 的结果，蓝色是 HSE06 的结果，红色表示 Dirac锥。与 PBE 结果对比可知，在 HSE06 下，三重 Dirac 锥保持的很好，相对于费米能级只上移一点。

　 图 7，电声耦合、谱函数和超导电性。

　 (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。

　 图 8，AlB 6 -ptAl-array 的化学键分析，不同视角下的电子局域函数 ELF。

　 (a-e)显示所分析 ELF 的平面；(a"-e")每个平面 ELF 的分析结果。

　 【小结】

　通过全面的结构搜索，系统的第一性原理计算和分子动力学模拟，本文发现二维 AlB 6 纳米片是极具前景的多功能新型二维材料。AlB 6 纳米片具有非常独特的平面四配位铝阵列，非常高的热力学和动力学稳定性，力学性能优于石墨烯，奇异的三重狄拉克锥、狄拉克节点环，和超导电性。由于 AlB 6 纳米片稳定高，性能优异，有望在不久的将来被实验制备出来，并应用于纳米电子学和纳米力学等相关领域。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。