硅材料因其储量丰富、耐高温、易掺杂、无毒等优点，成为现代微电子工业的支柱。在室温环境下，硅晶体的基态为立方金刚石结构（d-Si），属于间接带隙半导体（1.17 eV）。此外，由于硅原子的四配位成键特征，硅晶体还存在着大量的低能亚稳异构相——有加压或卸压过程中形成的高密度相，也有理论预测或实验合成的低密度相。丰富多样的晶体结构使得硅异构相拥有诸多不同于d-Si相的新奇物理性质，例如具有光伏应用前景的直接带隙或准直接带隙硅、具有超导特性的金属硅等。因此，探寻新奇的稳定硅异构相，是发展下一代硅基电子器件的新生长点，也是多学科关注的热点课题。
近日，公司刘志锋副教授与大连理工大学赵纪军教授等人合作，在230种具有沸石结构特征的低密度三维硅异构相中，通过第一性原理计算搜索（如图1所示），发现了两种奇异的拓扑半金属，即AHT-Si24和VFI-Si36。结构上，它们均由两类不等价的硅原子以四配位的sp3杂化方式形成（平均键角分别为107.58°和107.44°）。因此，它们均具有较好的能量稳定性、力学稳定性和动力学稳定性。与2015年实验报道的低密度Cmcm-Si24异构相类似，它们在晶体c轴方向都拥有开放的孔道结构，因此有望通过高压前驱体法合成出来。
图1. 基于沸石结构数据库，搜索拓扑半金属三维全硅材料的计算流程图。
受时间反演、空间反演以及SU(2)自旋旋转对称保护，拓扑半金属AHT-Si24和VFI-Si36的狄拉克节点均在布里渊区的kz=0平面内形成闭合曲线，因此属于典型的拓扑节线半金属材料。由于晶格对称性的差异，它们的闭合节线分别显现出圆角四边形和六边形结构（见图2）。基于[001]方向Slab模型（如图3a所示）的电子结构计算表明，两类拓扑半金属均具有鼓膜状表面平带（如图3b所示），这不仅为实验探测该类体系的拓扑特性提供了依据，同时也说明在材料的（001）面有望诱发出有趣的物理效应，如高温表面超导特性。
图2. AHT-Si24三维能带结构图（a），及其kxy平面内的节线分布（b）；VFI-Si36三维能带结构图（c），及其kxy平面内的节线分布（d）。
以上发现，将拓扑量子态的研究首次拓展到了三维全硅材料中，使人们认识到在三维全硅材料中同样可能实现拓扑量子态。如果获得实验突破，它们将展现出低廉、无毒、且与传统硅半导体工业兼容的巨大优势。
图3. AHT-Si24 20个原子层厚度的Slab结构（a），及其表面态投影能带结构图（b）。
这一成果作为封面论文发表在近期的
J. Phys. Chem. Lett.
上，以
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的形式被亮点报道，且得到了知名媒体
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资讯的专题报道。论文第一作者为刘志锋副教授，通讯作者为大连理工大学赵纪军教授。该研究得到了国家自然科学基金以及北京计算科学研究中心的支持。
参考链接：
https://pubs.acs.org.ccindex.cn/doi/abs/10.1021/acs.jpclett.8b03345
https://pubs.acs.org.ccindex.cn/doi/suppl/10.1021/acs.jpclett.8b03345/suppl_file/jz8b03345_liveslides.mp4
https://mp.weixin.qq.com/s/mGQ3K-FoqoUFHg8WrbUT_A
