近日，我院吕晓东副研究员、宫箭教授 (内蒙古师范大学兼职教授，博士生导师) 与内蒙古大学李锋钰教授、美国波多黎各大学陈中方教授合作在理论设计新型功能二维材料领域取得新进展，相关成果以“High-throughput theoretical exploration of multifunctional planar MBenes: Magnetism, topology, superconductivity, and anode applications”为标题发表在国际材料科学期刊《Advanced Power Materials》上(中科院1区top期刊，IF = 24.9)。吕晓东副研究员为第一作者，李锋钰教授、宫箭教授、陈中方教授为论文共同通讯作者,内蒙古师范大学为第一完成单位。(论文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2772834X25000338)。
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。
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（扩散能垒, 30~90 meV），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。
文章概述：
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。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。
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。
研究发现，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。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。
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。其中，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，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（a）MBene体系的磁结构；（b-d）Fe/Cr/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；（e）NiB单层的声子谱图；声子态密度（PHDOS）；Eliashberg谱函数α²F(ω)及电子-声子耦合常数λ(ω;
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；NiB单层的费米面; (f-h) CI-NEB方法获得的Ni/CuB体系中钠（Na）扩散路径以及对应N扩散能垒曲线。
图2(e)揭示其中五种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到5.2 K之间。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（A1g）。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（B2g和B2u）。值得注意的是，NiB、PdB和PtB单层中在费米面附近表现出狄拉克色散能点，而在CrB单层中观察到Weyl点。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。
考虑到MBenes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2（f-h）揭示，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）。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。
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，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，同时也为未来的实验合成和应用研究提供理论指导和实验依据，如图3所示。
图3为MBenes量子材料在磁性、拓扑、超导及电极材料的潜在应用示意图
该项研究获得国家自然科学基金（12364038）、内蒙古自治区自然科学基金重点项目（2023ZD27）、内蒙古自治区“草原英才”工程（12000–12102613）、内蒙古大学青年科技人才培养项目（21200–5223708）、内蒙古自治区中国科学院科学技术创新产业技术项目（2023JSYD01002）、内蒙古自治区科学技术计划项目（2023KYPT0012）、内蒙古师范大学高层次人才引进科研启动基金（2025YJRC005）等项目支持。
吕晓东，博士，副研究员。2020年毕业于内蒙古大学，获博士学位；2020-2022年于中国科学院宁波材料技术与工程研究所从事博士后研究, 2023年5月入职内蒙古师范大学，高层次人才雄鹰计划六级岗。目前主要研究方向为“AI+功能材料设计”在储能及器件输运等性质方面研究。目前以第一/通讯作者在Adv. Power Mater.、J. Mater. Sci. Technol.、Sci. China Mater.、J. Mater. Chem. A等国际期刊上发表学术论文10 余篇。