论文题目：High-throughput theoretical exploration of multifunctional planar MBenes: magnetism, topology, superconductivity, and anode applications

期刊：Advanced Powder Materials

DOI：https://doi.org/10.1016/j.apmate.2025.100297

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本研究通过密度泛函理论（DFT）计算方法，对29种含五配位硼（ppB）与七配位过渡金属组分的MBenes材料展开探索。结果发现其中10种MBenes展现出较好的热、动力学及力学稳定性，并兼具磁性、拓扑超导性、高储钠容量及低钠扩散势垒等优异物性。此研究不仅为MBenes多功能量子材料的设计提供理论支撑，极大地拓展了其在自旋电子学、量子计算以及能源存储领域应用价值。

1摘要

探索新型二维（2D）材料一直是材料科学领域的研究热点。平面超配位构型具有非常规的几何排布和成键方式，为新型二维材料的设计与合成提供新的思路。目前，基于平面五配位硼（ppB）的2D过渡金属体系设计尤为引人注目。针对这一研究空白，我们提出了一类新颖的过渡金属硼化物单层（MBenes），其结构由ppB和七配位过渡金属（M）构成，其独特的原子构型与成键模式与传统二维材料明显不同。通过基于高通量第一性原理计算，研究团队共筛选出10种具有较好的热、动力学及力学稳定的MBenes（化学式为MB，M = Cr, Fe, Co, Ni, Cu, Mo, Pd, Ag, Pt, Au）。其优异的稳定性归因于强的B−B共价键和M−B离子键的协同作用。其中五种MBenes（M = Ni, Pd, Pt, Ag, Au）具有拓扑超导物性，其超导转变温度介于2.4~5.2 K之间。同时，FeB单层材料表现出居里温度高达约750 K的铁磁性能。此外，NiB和CuB表现出极低的钠离子扩散势垒（分别约为30和90 meV）和较高的钠存储容量（分别为788和734 mAh g^-1）。以上研究不仅丰富拓扑超导材料家族，为量子器件功能材料设计提供新的思路，同时也为自旋电子和能源存储器件等领域的发展开辟了新的路径。

2研究背景：

自石墨烯发现以来，2D材料因其独特的物理性质和潜在应用成为材料科学的研究热点。如狄拉克费米子、磁性、拓扑、超导、多铁等丰富物性使其在电子/光电子学、自旋电子学、谷电子学及能源存储领域具有应用潜力。近年来，具有平面超配位结构的2D材料受到广泛关注。早期研究主要聚焦于超配位碳结构（如四配位、五配位、六配位），如B2C单层理论超导温度达19.2 K，Be₂C单层表现为半导体，过渡金属碳化物（α-TMC）单层呈现出丰富电子和磁学性质。近期研究范围扩展至超配位锗、硅及碱金属元素，如六配位硅（phSi）基Cu₂Si单层表现出拓扑特性，Fe2Si单层为铁磁体。

硼的缺电子特性使其可形成稳定的超配位结构，目前理论预测结构主要包括CuB、FeB₂及FeB6等硼化物。最近，LiNiB层状化合物在实验上成功合成，同时成功剥离出五配位硼（ppB）结构的二维NiB单层，意味着其它ppB基硼化物在实验上合成可行性。然而，其成键机制、实验合成的稳定路径及物理性质全面研究仍需进一步深入。本研究通过高通量筛，从含ppB的29种MBene单层（M = Sc至Hg），筛选出10种稳定体系，其性质包括铁磁性（Fe/CoB）、拓扑超导性（Ni/Pd/PtB）及优异储钠性能，以上研究推动MBene单层实验合成与应用探索。

3创新点：

1）新型MBenes量子材料设计：系统研究平面五配位硼（ppB）和七配位金属（M）基元构成的新型MBenes材料，揭示了其独特的原子结构及成键特性。

2）多功能性质发现：通过高通量第一性原理计算筛选，成功筛选出10种在热、动力学及力学稳定的MBenes，这些ppB基MBenes展现出多种功能特性，包括高居里温度（约750 K）的铁磁性、拓扑超导性（2.4~5.2 K）及优异储钠性能（>700 mAh g^-1），使其在自旋电子学、量子材料与储能技术等领域具有的广阔应用潜力。

3）理论预测与实验指导：通过高通量理论计算，预测超配位MBenes材料的稳定性和多功能性质，为未来的实验合成和应用研究提供理论指导和实验依据。

4文章概述：

图1（a）展示室温下合成层状LiNiB材料的块体前驱体。通过剥离该前驱体，可获得如图1（b）所示的NiB单层材料。在图1（c）中，我们进一步通过将 Ni 原子替换为周期表中Sc至Hg的其他过渡金属元素（不含Ni），设计了28种与NiB 单层具有相同几何构型MBenes材料体系。因此，在本文中我们主要考察了29种MBenes系统。如图1（d）所示，这些单层材料的晶胞（以黑色虚线标出）由四个过渡金属原子（M）和四个硼原子（B）组成。通过结合能与剥离能计算、形成能评估、室温（300 K）下的从头算分子动力学模拟、声子谱分析、抗氧化能力以及力学稳定性的评价等，我们最终筛选10种稳定的MBenes单层。

图1.（a）室温下层状LiNiB相的晶体结构；（b）通过机械剥离获得的稳定NiB层。（c）本研究中考虑形成过渡金属（M）硼化物（MBene）单层材料过渡金属。（d）MBenes的俯视图和侧视图。

图（2）展示MBenes材料的磁性基态（Magnetic Ground State, MGS）。我们共考察了五种不同的磁构型：非磁性（NM）、铁磁性（FM）以及三种反铁磁构型，分别为 AFM-Zigzag、AFM-Stripy 和 AFM-Néel，其具体原子排布如图2（a）所示。其中，J1和J2表示紧邻及次紧邻磁性原子之间的磁耦合相互作用。

在这十种稳定的MBenes材料体系中，Ni/Pd/PtB、Cu/Ag/AuB以及MoB单层在内的七种体系呈现出非磁性（NM）行为。这种非磁性行为与其它2D材料不同之处在于，本工作中所提出的非磁性 MBenes能够在无需外部调控的情况下，自发呈现出丰富内在电子特性，如拓扑金属态和超导性，为超越传统2D材料的多功能平台提供了全新可能。

而FeB与CoB单层更倾向于形成铁磁基态，磁矩大小分别为2.10和1.05 μB。此外，CrB单层则稳定于AFM-Stripy 构型。图2（b）和图2（c）分别展示，FeB和CoB的居里温度（TC）分别为约750 K和220 K。图2（d）展示CrB的尼尔温度（TNéel）约为170 K。这些结果表明CoB、FeB和CrB单层在自旋电子器件中具有广阔应用前景。

图2. MBene体系的磁结构：（a）铁磁（FM）、反铁磁（AFM-Zigzag）、反铁磁（AFM-Stripy）和反铁磁（AFM-Néel）的示意图，（b）FeB和（c）CoB的铁磁（FM）态下，磁矩（蓝色）和磁化率（红色）随温度的变化示意图。（d）CrB的反铁磁（AFM）态下，内能（蓝色）和磁化率（红色）随温度的变化情况。

图（3）展示了MBenes材料的电子结构特性。研究表明，所有MBenes单层均表现出本征金属性，其金属态主要来源于过渡金属M原子的d轨道，硼原子的 p 轨道则通过轨道杂化在费米能级附近提供辅助贡献。MBene体系在费米能级附近的能带结构与在其费米面形状上体现相似性，具体表现为能带色散小而且在费米能级附近具有高的电子态。

值得关注的是，NiB、PdB和PtB单层中在费米面附近表现出狄拉克色散能带点，而在CrB单层中观察到Weyl点。我们进一步构建最大局域化Wannier函数，验证狄拉克交叉点存在非平庸的拓扑电子性质。此外，通过对MBenes施加单轴拉伸12% 应变，我们发现体系由狄拉克半金属转变为量子自旋霍尔绝缘体。

图3. 不考虑SOC效应六种稳定MBene体系电子能带结构投影和态密度图（PDOS）：（a）NiB；（b）PdB；（c）PtB；（d）CuB；（e）AgB；（f）AuB。粉色和蓝色线条分别代表M_d和B_p轨道。

基于MBenes体系（尤其是NiB、PdB和PtB单层）在费米能级附近表现出显著的态密度峰值及非平庸的拓扑电子特性，我们进一步研究其可能的超导性。以NiB为例，图4（b）声子态密度（PHDOS）和（c）Eliashberg谱函数α²F(ω) 表明，低频（< 400 cm^-1）区域的声子模式主要由Ni原子的振动贡献，主要对应于三个声学分支；而高频区域（400–1000 cm^-1）则由B原子的光学振动模式主导。

图4（d-f）分析了EPC 贡献的具体来源，最大声子耦合强度贡献来自于B原子在Γ点振动模式。其中最低频率声子振动模式位于Γ点的221.25 cm^-1处，对应B原子沿z轴的面外振动（A_1g）。高频声子振动模式主要集中在603.43 cm^-1与945.37 cm^-1，对应B原子沿着x-y平面内的振动（B_2g和B_2u）。

图4（g） 显示，尽管费米能级附近的电子态主要由金属原子d轨道提供，但B原子的p轨道电子仍对电子结构做出重要贡献。这两类不同的能带在能带-声子耦合中选择性地与相应声子模式耦合，从而协同增强整体电子-声子耦合强度。

最后，基于 McMillan–Allen–Dynes 修正公式，我们对各体系的超导临界温度Tc进行了估算，结果表明 NiB、PdB、PtB、AgB和AuB单层的Tc分别为3.4 K、5.2 K、2.4 K、4.5 K和4.1 K。这一发现揭示了部分ppB基MBenes材料在低温条件下具有拓扑超导行为的潜力。

图4.（a）NiB单层的声子谱图；（b）声子态密度（PHDOS）；（c）Eliashberg谱函数α²F(ω)及电子-声子耦合常数λ(ω)，蓝色标注为电子-声子耦合（EPC）强度λ值。（d-f）NiB单层中电子-声子耦合矩阵元在Γ点的声子贡献最大的三种振动模式。（g）NiB单层的费米面，图中的颜色比例尺代表Ni_d和B_p态的轨道贡献。

考虑到MBene材料良好的稳定性及非平庸的电子结构，我们进一步评估了其储钠性能。图5（a, d）展示了基于CI-NEB方法对NiB和CuB单层表面钠离子扩散行为。图5（b, e）所示，路径 III（沿x轴方向，扩散能垒表现最低（NiB: 36 meV; CuB: 90 meV）。图5（c, f）进一步揭示了NaxNiB和NaxCuB在不同钠离子浓度下的开路电压（OCV）变化趋势。当钠离子嵌入比例达到 x = 2 时，达到最大理论储钠容量，对应的OCV值分别为 0.11 V和 0.03 V，理论容量分别为788 mAh g^-1和734 mAh g^-1。上述性能指标也远优于目前实理论(实验)提出的二维明星材料。

图5. （a，d）CI-NEB方法获得的Ni/CuB体系中钠（Na）扩散路径示意图；（b，e）路径I、II和III对应为钠的扩散能垒曲线；（c，f）钠原子平均吸附能（E_ave）以及开路电压（OCV）随吸附钠浓度变化曲线。

5心得体会：

自踏入二维多功能材料设计这一充满活力的研究前沿以来，我深切体会到其所蕴含的无限魅力与广阔发展潜力。在深入探索基于平面五配位硼（ppB）构型的二维过渡金属体系（MBenes）过程中，我不仅被其非传统的原子构型与成键方式所震撼，也更加坚定了在该领域持续深耕的科研信念。

在本项研究中，我们首次提出了一类新颖的过渡金属硼化物单层材料(MBenes)，其结构由ppB单元与七配位金属原子（M）共同构筑，形成了前所未有的二维原子框架。这一设计理念突破了传统二维材料的构型边界，为构效关联驱动的材料创新提供了崭新范式。

借助高通量第一性原理计算，我们成功筛选出10种在热力学、动力学、热稳定性与力学性能等多维指标上均表现卓越的稳定MBenes单层。这些材料的出色稳定性源于体系内强B–B共价键与M–B离子键之间的协同耦合作用，构筑了高强度、高鲁棒性的二维结构基础。

更令人振奋的是，这些MBenes材料展现出诸多激动人心的功能特性：包括拓扑超导性、高温铁磁性以及超快钠离子扩散性能等，分别指向量子计算、自旋电子学与储能电池等前沿技术领域的关键需求。我们的理论预测不仅为后续的实验合成提供了有力指引，也体现了理论设计在新材料发现中的引领作用。

面向未来，我将继续秉持科研初心，保持探索热情，进一步拓展二维多功能材料的设计空间与应用边界。期待与团队携手，将更多富有变革性的材料推向实验室、产业界乃至真实应用场景，为科技进步与可持续发展贡献智慧与力量。

引用信息：Xiaodong Lv, Ting Han, Rong Liu, Fengyu Li, Jian Gong, Zhongfang Chen, High-throughput theoretical exploration of multifunctional planar MBenes: magnetism, topology, superconductivity, and anode applications, Adv. Powder Mater. 4 (2025) 100297. https://doi.org/10.1016/j.apmate.2025.100297

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原文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2772834X25000338