二维硼基结构的磁性质和超导电性的研究

There are extensive interests in the study of two dimensional materials due to novel quantum phenomena and potential applications. Two dimensional boron structures, which show novel electronic properties due to their rich variety structural characters, become one of the important research areas. In this project, we will develop the methods to treat the magnetic ordering and superconductivity in the two dimensional sp bonding boron based structures. We will investigate the magnetic ordering and superconductivity with novel mechanisms and high transition temperature in the two dimensional boron based structures by virtue of their abundant types of structures, rich variety of electronic properties and easy modulation in carrier concentration. We will propose the mechanisms to increase the superconducting temperature and realize the novel magnetic and superconducting states by tailoring the energy band, variation of carrier concentration and strain engineering. We will explore the evolution processes of Fermi surface configurations with the structure modulation and design the magnetic states and superconductivity in the two dimensional boron based structures. We will study characteristic metastructures for the formations of two dimensional magnetic and superconducting states with novel mechanisms and high transition temperature. This project will enable us to have a deep and comprehensive understanding of magnetism and superconductivity with novel mechanisms and high transition temperature in two dimensional boron based structures, which may deliver new models and insights for the development of novel superconducting materials and quantum devices.

二维材料因其新奇的量子现象及潜在的应用激发了广泛的研究兴趣。由于二维硼结构具有丰富的的结构特性，可能表现出独特的电子性质，正在成为国际上二维材料研究的新的重要方向。在本项目中，我们将基于二维sp成键硼基体系丰富的结构构型，多变的电子结构，易于调控的载流子浓度，研究和发展处理二维硼基结构的磁有序和超导电性的理论方法，探索新型磁有序和超导电性。掌握通过载流子浓度变化、能带剪裁和应变调控等手段提高二维硼基结构超导转变温度，以及形成新型磁有序和超导机制的途径。揭示费米面构型随结构调制的演化路径，实现对二维硼基结构的磁性和超导电性的调控。揭示能够形成新型磁有序、超导电性和具有高转变温度的超导体的特征结构构型。通过遗传搜索等算法，设计新型的磁有序和超导体。通过本项目的研究，深入了解二维硼基结构产生新型的磁有序和超导电性的规律，为发展新型超导材料和自旋量子器件提供物理模型和理论预言。

二维硼结构具有丰富的结构特性和独特的电子性质，以及易于调控的载流子浓度，在实现新型磁有序和超导电性上具有突出的优势。在本项目的研究中，我们基于第一性原理计算，发现了InB4与InB2两个三带隙超导体，并且InB4拥有高达53K的超导转变温度，在拉伸应力下，InB4的超导转变温度可提高到63K。我们还发现了ZnB4和GeB4为双带隙超导体，超导转变温度分别为32K和48.5K。我们发现AlB2在超薄极限下具有双带隙的超导性质，其超导转变温度为17−26.5K。MgB4的三层膜是四能隙超导体，其超导温度为52K，高Tc四能隙超导电性与费米表面表现出异常强的电子声子耦合密切相关。GaB4三层膜是超导转变温度为51K的三能隙超导体，而BeB4和LiB4的三层膜是两种超导温度转变温度分别为∼39K和32K的两带隙超导体。这些结果表明硼烯掺杂金属原子是寻找多带隙超导体重要体系。我们研究了用原子替代掺杂的BC3的电子结构和磁性。这些掺杂体系有半金属(Be-B，Mn-B)，自旋半导体(Cr-B)，磁性半导体(Cr-C)，磁性金属(Mg-B，V-B)，它们可能在自旋电子学中有潜在的应用。我们研究了原子吸附的BC3的电子结构和磁性，其中半金属(Cr-BC3)，磁性半导体(V-BC3，Mn-BC3)，磁性金属(Fe-BC3，Co-BC3)可以作为潜在的二维磁性材料。我们发现石墨烯型BC3可以通过适当的吸附原子修饰而成为二维拓扑绝缘体和Chern绝缘体。这些属性表明吸附的BC3体系是研究量子自旋霍尔效应和量子反常霍尔效应的很好的平台。我们计算了起伏状的三角格子硼平面和β12硼平面结构在不同应力下的超导电性和电声耦合性质。发现由于较低声学支声子频率的软化，应力使得三角格子硼平面中电声耦合被加强了。通过应力调制，三角格子硼平面中可能出现24-32K的超导温度。在β12硼平面结构中最高超导温度为14.9K。在硼平面结构中，超导温度和电声耦合常数随应力出现了U形的变化趋势。以上研究为发展新型超导材料和量子器件提供了物理模型和理论预言。