Low-symmetry two-dimensional BNP$_2$ and C$_2$SiS structures with high and anisotropic carrier mobilities
我们研究了以前未开发的二维（2D）三元化合物BNP $_2$和C $_2$ SiS的稳定性和电子结构。使用$ab$ $initio$密度泛函理论，我们已经确定了四个稳定的同素异形体的每一个三元化合物，并证实了它们的稳定性，通过计算声子谱和分子动力学模拟。尽管所有BNP $_2$同素异形体都是半导体的，但我们发现C $_2$ SiS取决于同素异形体是半导体或半金属的。我们研究的半导体同素异形体的基本带隙范围从$1.4$ eV到$2.2$ eV（在HSE 06能级）$0.5$ eV到$1.4$ eV（在PBE能级），并且显示载流子迁移率高达$1.5{\times}10^5$ cm $^2$ V $^{-1}$ s $^{-1}$。如此高的迁移率在具有如此宽的带隙的半导体中是相当罕见的。所有同素异形体的几何结构中的结构脊导致其机械和输运性质的高度各向异性，在电子学和光电子学中有着广泛的应用前景。
2020-11-10 cond-mat.mtrl-sci
High-Throughput Discovery of Semimetallic Borophenes with Diverse Dirac States Via Transferable Tight-Binding Approach
School of Physics and Optoelectronics, Xiangtan University（湘潭大学物理与光电工程学院）；Hunan Provincial Key Laboratory of Computational Condensed Matter Physics and Quantum Materials Engineering（湖南省计算凝聚态物理与量子材料工程重点实验室）
开发可转移紧束缚框架结合图论和群论随机生成策略，高通量筛选522种硼烯同素异形体，发现8种新型半金属硼烯，包含I型、III型狄拉克锥、狄拉克节线及首次预测的二次节点半金属。
2026-06-02 cond-mat.mtrl-sci
Topological carbon materials: a new perspective
碳具有许多一维（1D）、二维（2D）和三维（3D）同素异形结构。碳材料的研究一直是材料科学和凝聚态物理的一个主要热点。以前的研究已经确定了不同类别的拓扑半金属碳同素异形体具有不同的拓扑相。本文首先对碳同素异形体从一维到三维的发展进行了简要的综述。接下来，我们讨论了碳材料的拓扑性质及其物理起源。然后，我们考虑碳材料的拓扑研究可能扩展到其他轻元素材料，如硼。最后，展望了碳同素异形体拓扑物理研究的前景。
2019-08-27 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
A novel two-dimensional all-carbon Dirac node-line semimetal
提出一种新型二维碳同素异形体TCH-SSH-2D，具有狄拉克节线半金属态，通过第一性原理计算验证其稳定性，为二维纯碳系统探索独特狄拉克态提供新途径。
2023-12-28 cond-mat.mtrl-sci
Tuning Penta-Graphene Electronic Properties Through Engineered Line Defects
五石墨烯是一种准二维碳同素异形体，由五角晶格组成，其中存在sp2和sp3样碳。与石墨烯不同，penta-graphene具有非零的带隙，这为其在光电应用中的应用开辟了可能性。然而，由于观察到的带隙是大的，需要间隙调整策略，如掺杂。在这项工作中，密度泛函理论计算被用来确定不同数量的替代氮或硅原子的线缺陷的五石墨烯的电子行为的影响。我们的研究结果表明，这种掺杂可以诱导半导体，半金属，或金属的行为取决于掺杂原子和有针对性的杂交（sp2或$sp3样碳）。特别是，我们观察到，sp2类碳原子的氮掺杂可以产生半金属和半导体行为之间的带隙调制。这些结果表明，工程线缺陷可以是一种有效的方式来调整penta-graphene电子行为。
2020-01-16 cond-mat.mtrl-sci
Metallic and semimetallic states of molecular crystalline hydrogen at high pressures
在密度泛函理论的框架下，采用从头算分子动力学方法，研究了100，K下晶态氢分子的结构和电子性质.计算了压强、对关联函数和能带结构。在302- 626 GPa的压力范围内，观察到分子晶体氢从半导体态到半金属态和金属态的跃迁。在低于361.GPa的压力下，具有C2/c结构的分子晶体是具有间接带隙的半导体.在361 - 527“，GPa压力范围内，单斜C2/c晶格的能带结构具有部分未占据价带和部分占据导带的特征半金属轮廓。当压缩到544 GPa以上时，结构从单斜C2/c转变为斜方Cmca，并伴随着直接能隙值的急剧下降（超过两个数量级），这是所得结构的金属导电性的指示。金属态是亚稳态的，并且在高达626 GPa的压力下存在。
2022-01-11 cond-mat.mtrl-sci physics.comp-ph
Simulated scanning tunneling microscopy images of few-layer-phosphorus capped by graphene and hexagonal boron nitride monolayers
元素磷被认为具有几种稳定的同素异形体，其在能量上接近简并，但具有化学反应性。为了防止在环境条件下的化学降解，这些结构可以被六方氮化硼（{ \em h}-BN）或石墨烯的单层覆盖。我们进行{ \em ab initio}密度泛函计算来模拟磷的不同层状同素异形体的扫描隧道显微镜（STM）图像，并研究覆盖层对这些图像的影响。我们发现，绝缘{ \em h}-BN的保护性单层允许区分下面的磷的不同结构相，即使图像仅通过看起来透明的氮原子过滤。对于被半金属石墨烯覆盖的磷膜来说，这种区别是不可能的。我们的研究结果表明，STM的真实空间成像能力不会受到所选择的保护磷表面的覆盖层的阻碍。
2015-03-20 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Stable Dirac semi-metal in the allotrope of IV elements
三维拓扑Dirac半金属代表了一种具有奇异电子性质的量子物质的新态，在这种量子物质中存在一对沿所有动量方向线性色散的Dirac点。本文通过第一性原理计算发现了Ge和Sn在交错层状哑铃结构中的一种新的亚稳同素异形体，命名为锗石和锡石，它是Dirac半金属，在其旋转轴上有一对Dirac点。在平行于旋转轴的表面上，观察到一对拓扑非平凡的费米弧，并通过调节费米能级发现了Lifshitz跃迁。此外，锗石量子薄膜是一种本征量子自旋霍尔绝缘体。这些发现表明新的物理性质和未来的应用的新的亚稳同素异形体的锗和锡。
2016-01-21 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Transport properties of semimetallic transition metal dichalcogenides
外尔半金属需要时间反演对称性（TRS）或晶格反转对称性的破缺。当TRS和反演对称共存时，可能存在一对简并的Weyl点，导致相应的Dirac半金属相。换句话说，狄拉克半金属态可以看作是外尔半金属态的两个副本。在本论文中，我们研究碲基化合物，如Weyl半金属候选MoTe 2和狄拉克半金属候选PtTe 2的过渡金属二硫族化合物的家庭。
2018-07-22 cond-mat.mtrl-sci
DFT investigation of novel cubic carbon allotrope, yne-C$_{16}$
本研究基于DFT设计并验证了新型立方碳同素异形体yne-C$_{16}$，其具有sp$^3$/sp$^1$杂化、独特三键单元和弱金属性，且力学与动力学稳定。
2024-07-20 cond-mat.mtrl-sci
Single Pair of Charge-two Weyl Fermions in Chiral Boron Allotropes
Yanshan University（燕山大学）；Renmin University of China（中国人民大学）
本研究通过手性硼同素异形体实现非磁性材料中单对电荷二价韦尔费尔米子，突破传统约束，提供实验可访问的拓扑特征。
2026-02-26 cond-mat.mtrl-sci
Potential reversible hydrogen storage in Li-decorated carbon allotrope PAI-Graphene: A first-principles study
本文通过第一性原理计算研究锂修饰的二维多孔碳材料 PAI-石墨烯的储氢性能，发现其可实现 15.7% 的超高可逆氢吸收，远超 DOE 目标，并揭示了 Li 原子电离、静电吸附及防聚集机制。
2023-12-02 cond-mat.mtrl-sci
Controllable Weyl nodes and Fermi arcs in a light-irradiated carbon allotrope
结合第一性原理、Wannier 紧束缚与 Floquet 方法，研究线偏振光下 fco-C6 的 Weyl 物理，实现光强对 Weyl 节点和 Fermi 弧位置的精确控制。
2023-08-21 cond-mat.mtrl-sci physics.comp-ph
Interband $π$-like plasmon in silicene grown on silver
硅烯是硅的二维同素异形体，被预测存在于低屈曲的蜂窝晶格中，其特征在于半金属电子带在费米能级周围具有石墨烯般的能量-动量色散（由接触的狄拉克锥表示）。硅烯的单层主要是通过在银的顶部沉积硅来合成的，然而，迄今为止观察到的不同相与基底的杂化如此强烈，以至于不仅狄拉克锥，而且理想硅烯的整个价态和导电态似乎都丢失了。在这里，我们提供的证据表明，这种半金属行为的至少一部分是由更多的硅烯相，外延生长在Ag（111）的共存保存。特别是，我们结合电子能量损失谱和含时密度泛函理论来表征在控制硅覆盖率和生长温度下制备的多相硅烯/Ag（111）样品的低能等离子体。我们发现，这种模式生存与基板的相互作用，与理想硅烯的类π等离子体完美匹配。因此，我们认为，多相硅烯与衬底的相互作用减弱，可能提供一个独特的平台，有可能开发基于二维硅系统的不同应用。
2018-01-03 cond-mat.mtrl-sci
Strain-triggered high-temperature superconducting transition in two-dimensional carbon allotrope
Ningbo University（宁波大学）；Beijing Normal University（北京师范大学）；Qufu Normal University（曲阜师范大学）；Renmin University of China（中国人民大学）
通过第一性原理计算，发现对由三角形、六边形和八边形组成的二维碳同素异形体THO-石墨烯施加双轴拉伸应变可诱导超导转变，最高超导转变温度达45 K，为二维元素超导体设立了新纪录。
2026-01-03 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.supr-con physics.comp-ph
Superglitter and squarodiamond, novel C12 (sp2/sp3) and C16 (sp3) allotropes from first principles
基于第一性原理提出两种新型碳同素异形体C12(superglitter)和C16(squarodiamond)，前者具sp2-sp3混合杂化呈金属性，后者仅含sp3碳呈绝缘性且硬度超100 GPa，为材料科学和碳数据库提供了新磨料及电子器件应用潜力。
2023-04-07 cond-mat.mtrl-sci
Spin-orbit-free Weyl-loop and Weyl-point semimetals in a stable three-dimensional carbon allotrope
拓扑能带理论彻底改变了我们对材料电子结构的理解，特别是在具有强自旋轨道耦合（SOC）的系统中预测了一种新的状态--外尔半金属。在这里，一类新的外尔半金属，完全由轻元素与可忽略的SOC，提出。我们的第一性原理计算表明，在三维纯碳网络中的共轭p轨道相互作用，称为互穿石墨烯网络，足以产生相同的外尔物理。这种碳同素异形体具有非常好的结构稳定性。它的费米面由两个沿垂直方向具有线性色散的受保护外尔环组成。在反转对称性破缺时，每个外尔环被简化为一对外尔点。网络的表面带是几乎平坦的，在费米能级具有非常大的态密度。正如预期的那样，它在对称性破缺时被还原为费米弧。
2015-05-09 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Real topological phonons in 3D carbon allotropes
本研究通过高通量计算筛选SACADA数据库中1192种三维碳同素异形体，发现85种具有不同实拓扑声子态的材料，拓展了实拓扑声子候选材料范围，并验证了部分材料的声子铰链模式。
2024-05-20 cond-mat.mtrl-sci
The impact of stress on the electronic structure of phosphorus allotropes stacked on hexagonal boron nitride
本文用密度泛函理论密度泛函理论研究了黑磷（BP）和蓝磷（\Pblue）在六方氮化硼（hBN）上形成的异质双层膜的力学和电学性质。重点放在如何施加在组成层上的应力影响其结构和电子性能。为此，我们采用了一个特定的结构弛豫方案，使我们能够区分扭曲每一层的能量成本和将它们堆叠在一起的增益。在大多数情况下，我们发现BP倾向于沿着较软的扶手椅方向收缩，就像已经报道的类似结构一样。这种收缩可以达到高达5%的应变，这可能会破坏其沿扶手椅方向的非常好的传输性能。为了防止这种情况，我们提出了一个扭曲的双层结构，其中最大的部分应力施加在Z字形轴上，从而降低对BP输运性质的影响。我们还研究了\Pblue /hBN双层膜。两层的价态之间的一种特殊的杂化，使我们认为在双层中激发的电子-空穴对将表现出混合特性，电子仅位于\Pblue{ }层中，空穴扩散到两层上。
2020-07-06 cond-mat.mtrl-sci
Tetragonal Mexican-Hat Dispersion and Switchable Half-Metal State with Multiple Anisotropic Weyl Fermions in Penta-Graphene
本文通过第一性原理计算发现五边形石墨烯在空穴掺杂下可转变为室温稳定的铁磁半金属，并在应变下实现多种各向异性外尔态，为碳基自旋电子学提供了新途径。
2022-10-23 cond-mat.mtrl-sci
Catalogue of topological electrons and phonons in all allotropes of carbon
该研究结合从头算与对称性分析，系统筛选703种碳同素异形体，编目315种理想拓扑声子材料与32种拓扑电子材料，并以uni和pbg揭示典型拓扑态及表面态。
2023-08-18 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
NaAlSi: a self-doped semimetallic superconductor with free electrons and covalent holes
具有铁磷属元素化物“111”结构的三元层状sp导体NaAlSi在7 K下超导。使用密度泛函方法，我们表明，这种化合物是一种固有的（自掺杂）低载流子密度半金属与一些不寻常的功能。共价的Al-Si价带提供空穴，而在相邻Si层之间的沟道中传播的自由电子状Al 3s带刚好低于费米能级以产生电子载流子。费米能级（以及超导载流子）位于态密度的赝能隙内的一个狭窄而尖锐的峰。小峰来自于价带，这些价带几乎是纯Si的，准二维的，平坦的，并且与Al导带耦合。在1.6 K以上不超导的同构NaAlGe，除了少了一块小费米面外，几乎具有完全相同的能带结构。计算和讨论了Si和Na沿c轴位移引起的形变势。配对的机制似乎与其他几种轻掺杂的二维半导体（TiNCl，ZrNCl，HfNCl）有关，这还不是很清楚，但显然不是声子起源。
2010-01-05 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.supr-con
Carboneyane: A nodal line topological carbon with sp-sp2-sp3 chemical bonds
通过第一性原理计算预测了一种结构稳定、具有丰富拓扑性质的碳同素异形体。这种新型的碳同素异形体具有简单的空间群C2/m，在一个结构中同时含有sp，sp2和sp3杂化键，因此被称为碳环烷。几何，振动和电子性质的计算表明，碳环烷，具有良好的延展性和一个低得多的密度1.43 g/cm 3，是一个拓扑金属与一对节线穿过整个布里渊区，这样，他们只能在一对湮灭对称性时被保存。讨论了节点线的对称性和拓扑保护以及相关的表面状态。将其X射线衍射图谱与实验结果进行比较，发现碳环烷的三个衍射峰与爆轰烟尘相吻合。由于碳环烷具有蓬松的结构，在存储、吸附和电极材料等方面具有潜在的应用前景。
2019-07-16 cond-mat.mtrl-sci
Tunable chiral anomaly in electron magnetotransport in the Weyl semimetallic Pb$_{1-x}$Sn$_x$Te:Cr alloy
Institute of Low Temperature and Structure Research, Polish Academy of Sciences（波兰科学院低温结构研究所）；ENSEMBLE3 Centre of Excellence for Nanophotonics, Advanced Materials and Novel Crystal Growth-Based Technologies（ENSEMBLE3纳米光子学、先进材料及新型晶体生长技术卓越中心）
本研究制备重掺Cr的Pb$_{1-x}$Sn$_x$Te晶体，在0.25<x<0.45时观测到三维Weyl半金属相，验证了化学无序与Cr掺杂对费米能级的调控作用及Berry曲率与电学性质的关联。
2026-08-12 cond-mat.mtrl-sci
Anomalous heat flow in 8-$Pmmn$ borophene with tilted Dirac cones
我们解析地建立了硼（B）的二维同素异形体之一8- \textit{Pmmn}硼化物中的反常横向热流。该同素异形体的分散体包含一对各向异性和倾斜的狄拉克锥，其通过将2D \textit{B}片置于强烈的圆偏振照明下而被隔开。狄拉克色散中的间隙导致有限的贝瑞曲率和连接的反常霍尔效应。在热电的情况下，这表现为垂直于温度梯度的热流-热霍尔效应。伴随的霍尔热导率的定量计算揭示了依赖于固有的各向异性和狄拉克锥的倾斜。此外，通过使用魏德曼-弗朗茨定律估计纵向热导率，我们还概述了计算热霍尔角的步骤，该热霍尔角测量这种横向热过程的生成效率。最后，我们触及热整流的想法，其中的异常热的流动方向反转通过一个简单的开关的入射光的偏振和感兴趣的热逻辑电路。
2018-06-07 cond-mat.mtrl-sci
Topological gimbal phonons in T-carbon
电子系统中的拓扑金属态已经得到了广泛的研究，但迄今为止，拓扑声子仅在少数例子中被探索。在这里，我们第一次发现拓扑结万向节声子，I型和II型Weyl声子同时存在于T-碳，最近实现的新的碳的同素异形体。在15.2THz附近，我们发现在Γ点周围存在三个相互交叉的节环（称为节环声子），在每个X点周围的布里渊区边界上存在两对I型Weyl声子。此外，在每个L点附近存在三对约14.5THz的II型Weyl声子。结果表明，这些奇异的拓扑声子受到相应的对称性的保护，并导致拓扑非平凡的表面态。我们的研究结果不仅提供了大量有趣的拓扑声子态在一个简单的材料，如T-碳，但也提供了一个新的平台，研究拓扑声子的新性质，这将有助于进一步的实验和理论工作在未来。
2021-05-01 cond-mat.mtrl-sci
Single-pair charge-2 Weyl-Dirac composite semimetals
State Key Laboratory of Metastable Materials Science and Technology & Hebei Key Laboratory of Microstructural Material Physics, School of Science, Yanshan University（燕山东亚大学理学院亚稳态材料科学与技术国家重点实验室与微观结构材料物理河北省重点实验室）
研究探讨了单个Weyl点与Dirac点能否共存于电子系统，通过磁空间群分类发现特定条件下的晶格结构可支持该态，并在SDHBN-B₂₈中预测出具有电荷2的Weyl点和Dirac点。
2026-03-18 cond-mat.mtrl-sci
Theoretical prediction of sandwiched two-dimensional phosphide binary compounds sheets with tunable bandgaps and anisotropic physical properties
在密度泛函计算的框架下，通过结构优化和动力学稳定性分析，预测了二维GaP和InP二元化合物的新同素异形体.这些稳定的GaP和InP单分子膜具有独特的高屈曲正交晶格对称性，其结合能为~0.14和~0.17 eV/对，低于二维低屈曲蜂窝状GaP和InP二元化合物，表明这些新预测的二维GaP和InP二元化合物是能量优先的。更有趣的是，它们的能带隙甚至比它们的本体对应物宽~ 0.52 eV（对于GaP）和~1.49 eV（对于InP）。这种带隙在扶手椅/锯齿形方向的应变下也是可调的，并且在一定的应变下发生直接/间接带隙转变，这为它们在纳米电子和光电子器件的带隙工程中提供了很好的应用前景。本研究也为此类新型二维磷化物的合成提供了一条可行的途径。
2017-11-10 cond-mat.mtrl-sci
Nematicity and Orbital Depairing in Superconducting Bernal Bilayer Graphene with Strong Spin Orbit Coupling
本文在具有强伊辛自旋轨道耦合的伯纳尔双层石墨烯中发现两种超导态SC$_1$和SC$_2$，揭示SC$_2$源于向列正常态，并论证超导受轨道退配对限制，为非常规配对机制提供约束。
2024-06-12 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.str-el cond-mat.supr-con
Multiple Unpinned Dirac Points in Group-Va Single-layers with Phosphorene Structure
涌现的狄拉克费米子态是石墨烯许多有趣性质的基础，对它们的探索构成了探索其他元素的二维（2D）同素异形体的强烈动机。磷烯，黑磷的中间层，最近一直是一个激烈的研究课题，发现其他Va族元素也可以形成具有类似褶皱晶格结构的2D层。在这里，通过仔细检查他们的电子能带结构的演变，我们发现两种类型的狄拉克费米子态出现在低能谱。一对（I型）狄拉克点位于高对称线上，而两对（II型）狄拉克点位于一般的$k$ -点上，具有由其位置处的约化对称性确定的不同各向异性色散。这种完全无钉扎（II型）的二维狄拉克点是首次发现。在没有自旋-轨道耦合的情况下，我们发现每个狄拉克节点都受到子晶格对称性的保护，从而避免了能隙的打开，而这又是由三个点群对称性中的任何一个保证的。自旋-轨道耦合通常会使狄拉克节点产生间隙，对于I型情况，这会驱动系统进入量子自旋霍尔绝缘体相。我们提出了在应变磷烯中实现非钉扎Dirac点的可能途径。
2016-04-27 cond-mat.mtrl-sci
Superhard lon C5 and derived carbon nitrides: C4N and C2N2. Crystal chemistry and first principles DFT studies
本文以超硬 lon 拓扑 C5 为模板，通过晶体化学与 DFT 计算设计出稳定且超硬的碳氮化物 C4N 和 C2N2，并揭示其导电与绝缘特性。
2024-04-02 cond-mat.mtrl-sci
Unconventional topological phase transition in two-dimensional systems with space-time inversion symmetry
研究了具有时间反转和二重旋转对称性的二维系统中正常绝缘体和量子自旋霍尔绝缘体之间的拓扑相变。与通常预测的两个绝缘体之间的直接跃迁的普通时间反演不变系统的情况相反，我们发现具有额外的二重旋转对称性的系统中的拓扑相变由两个绝缘体之间的紧急稳定的二维Weyl半金属相介导。在这里，所谓的时空反演对称性扮演了核心角色，时间反演对称性和双重旋转对称性的结合，即使在存在强自旋轨道耦合的情况下，也能保证2D外尔点周围的Berry相位量子化。配对创建/配对湮灭的Weyl点伴随着不同对之间的合作伙伴交换引起的二维$Z_{2}$拓扑不变量的跳跃，导致拓扑相变。根据我们的理论，HgTe/CdTe量子阱结构中的拓扑相变是由一个稳定的二维Weyl半金属相介导的，因为量子阱本身缺乏反转对称性，关于生长方向具有双重旋转。也就是说，HgTe/CdTe量子阱可以在正常绝缘体和量子自旋霍尔绝缘体之间的HgTe层厚度的小但有限的间隔内显示2D Weyl半金属行为。我们还提出，垂直电场下的少层黑磷是另一个观察非常规拓扑相变机制的候选体系，该机制伴随着由时空反演对称性保护的二维Weyl半金属相的出现。
2017-03-06 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
