科普文章

JPCM编辑优选：单层1T相NbO2中多重电荷密度波的理论研究

19 6月 2024 gabriels

本篇研究来自南京大学周健课题组。本工作通过第一性原理计算，预测在单层1T相NbO₂中存在两种电荷密度波（CDW）相，分别具有√12×√12和√13×√13的周期。计算表明√12×√12相为一个简单的半导体，而√13×√13可能是一个莫特绝缘体。

文章介绍

Predicted multiple charge density wave phases in monolayer 1T-NbO₂

Yi-Chi Li（李伊驰） and Jian Zhou（周健）

通讯作者：

周健，南京大学现代工程与应用科学学院

研究背景：

电荷密度波（Charge Density Wave，CDW）是凝聚态物理中一种重要的物理现象，表现为电荷密度和晶格畸变在周期空间上的调制，并通常伴随着另外一些物理特性，如电阻率异常、超导电性和莫特转变等。对CDW的研究最早可追溯至上世纪三十年代著名物理学家Rudolf Peierls提出的Peierls转变，即一维金属体系在低温下不稳定，伴随着晶格畸变，系统会从能量较高的金属态变为能量较低的绝缘态。许多材料都具有CDW，例如RTe₃（R=稀土元素、Hf/Zr）、AV₃Sb₅ (A= K, Rb, Cs)和过渡金属硫族化合物（如NbSe₂等）等，其中过渡金属硫族化合物因其丰富的物理性质而备受关注，为研究CDW提供了好的平台。本文通过理论计算预测了与过渡金属硫族化合物具有相同结构的过渡金属氧化物1T相NbO₂中的CDW。

研究内容：

本工作通过第一性原理计算预测了单层1T相NbO₂中可能存在两个CDW相。通过其声子色散关系，发现1T-NbO₂在高温下稳定，但在低温下会经历两个CDW转变，其结构分别具有√12×√12和√13×√13周期性。通过计算有限温度下的声子色散关系，估算CDW的转变温度在350~400 K之间。这两个CDW相分别为非磁性半导体(带隙约为0.1eV)和反铁磁Mott绝缘体(带隙约为0.9eV)，所以1T-NbO₂在CDW转变过程中发生了金属-半导体/绝缘体的转变。通过计算费米面，推测√12×√12 CDW相主要由电声子耦合机制驱动，而√13×√13 CDW相主要是由费米面嵌套机制驱动。本研究工作拓展了过渡金属硫族化合物的CDW研究，为探索新型材料的CDW提供了新的思路。

作者介绍

周健教授

南京大学

周健，南京大学现代工程与应用科学学院教授，主要研究方向为功能材料电子结构和晶格动力学的第一性原理计算。在PRL等国际期刊上发表论文150余篇，被引用超过4000次。主持国家自然科学基金项目2项，参与国家重点研发计划和973计划2项，获授权中国发明专利3项，主持编写教材2部。

期刊介绍

Journal of Physics: Condensed Matter

2022年影响因子：2.7 Citescore: 4.6
Journal of Physics: Condensed Matter (JPCM)为读者提供凝聚态物理、软物质、纳米科学和生物物理各领域的最新研究成果。JPCM发表实验/理论分析和模拟研究，读者可以获取涉及下列领域的专题综述、快报和特刊：表面、界面和原子尺度的科学，液体、软物质和生物物理，纳米材料和纳米电子，固体结构的晶格动力，电子结构，超导体和金属、半导体，电介质和铁电，以及磁学与磁性材料。