新型二维自旋轨道耦合材料的设计和物性研究

Novel two-dimensional (2D) spin-orbit coupling (SOC) layered materials have promising applications in future optoelectronics, spintronics, microelectronics and so on. In this project, we will combine first-principles calculations, tight-binding method, with many-body theory to develop methods for studying optoelectronic properties (excitons, plasmons, etc.), transport properties (thermoelectric effects, transport of charge, heat, spin and valley, etc.), and novel SOC effects in 2D-SOC layered materials. We will design new 2D-SOC layered materials and investigate the atom, charge, spin, orbital and valley degrees of freedom in these 2D materials as well as the intrinsic correlations among these degrees of freedom. We will study the tuning of the material properties (such as transport, optoelectronic, magnetic, ferroelectric, superconducting and topological properties) by chemical doping and external fields (magnetic, optic, electric and strain fields), and investigate the coexistence and coupling among these orders of matter. We will also study the rules how SOC affects the above properties of real materials, explore novel SOC effects, predict novel quantum phenomena, and investigate layered heterostructures formed by different 2D materials as well as related proximity effects. In summary, this project aims to discovery new 2D SOC materials and pave the way for device designing in the future information technology.

新型二维自旋轨道耦合层状材料在未来光电子学、自旋电子学以及微电子学等领域具有广泛的应用前景。本项目将结合第一性原理计算、紧束缚方法与多体理论，发展二维自旋轨道耦合层状材料的光电性能（如激子和等离激元等）、输运性质（如热电效应、电荷、热、自旋与谷输运等）以及新奇自旋轨道耦合效应等物性的计算方法；筛选或设计新型二维自旋轨道耦合层状材料，探索这些二维材料中的原子、电荷、自旋、轨道与谷等自由度，以及它们之间的内在关联；研究化学掺杂、磁场、光场、电场与应变场等对材料物性（如输运性能、光电性能、磁性、铁电性、超导性和拓扑性等）的调控，并探讨各种物态序之间的共存与耦合；研究自旋轨道耦合对二维材料物性的影响规律，探索新奇自旋轨道耦合效应并预言新奇量子现象；研究由不同二维材料构筑的异质层状结构以及与之相关的近邻效应。总之，通过该项目研究，可以发现新型二维材料，为未来信息技术中器件设计提供材料和物理基础。

近年来，新兴前沿领域如拓扑物态、二维材料在基础研究和器件应用等方面取得了大量重要的成果。与传统电子材料不同，新奇拓扑物态或材料一般具有多种自由度，如：电荷、自旋、谷、轨道等自由度。研究此类体系中不同自由度之间的内在关联和由之衍生出来的丰富量子物性，不仅带来了基础研究的突破和革新，也有望在未来光电子学、自旋电子学、“谷”电子学、微电子学以及复合功能新材料等领域取得广泛的应用。本项目基于第一性原理计算、紧束缚模型和格林函数方法，以及自主开发的相关程序算法，与实验紧密合作，预言了诸多基础研究上非常关切的新型二维自旋轨道耦合材料，并深入研究了其中所蕴含的新奇量子物性，取得一系列重要研究成果。主要研究成果如下：（1）提出了多种宽带隙的新型二维拓扑绝缘体，有助于实验观测其中的量子自旋霍尔效应及推动了该类材料在应用上的发展。具体而言，我们通过第一性原理计算，相继预言了四六环铋烯、单层和多层PbS、五角形第四主族与硫族二元化合物以及硅烯、锗烯、锡烯和六角氮化硼构成的范德瓦尔斯异质结以及拓扑畴壁；（2）研究了多类新型二维自旋轨道耦合材料的新奇物性，主要包括第IV族碲化物的铁电性质、磷烯，砷烯基于空穴掺杂和应变诱导的铁磁相变和磁光效应、以及在石墨烯体系中通过非磁手段产生自旋极化电流等研究；（3）证实和发现新型二维节点及节线半金属：理论与实验相结合，在国际上首次验证了二维Cu2Si具有狄拉克节线态以及二维GdAg2具有外尔节线态、预言单层HfGeTe具有新奇的自旋轨道狄拉克点和反铁磁TaCoTe2材料具有独特的狄拉克费米子；（4）编写了一系列重要的计算方法：实现了力场下优化第一性原理结构的计算方法和发展了加速自旋轨道耦合下杂化密度泛函计算的方法；（5）撰写了两篇关于新型二维自旋轨道耦合体系的综述，即：和合作者共同完成一篇目前关于硅烯最为系统的综述以及一篇应变对二维量子材料新奇物性的调控的邀请综述文章。