高稳定性硅硼碳单层材料中的电子-声子相互作用与超导特性研究

《iScience》：Electron-phonon interaction and superconductivity in the silicon-boron-carbon monolayers with high stability

本刊推荐：为解决二维轻元素超导材料探索难题，研究团队通过CALYPSO结构搜索与第一性原理计算，系统研究了SiBC4、SiBC6和SiB4C单层材料。发现这些材料在1500K下保持热稳定性，且均为本征超导体，超导转变温度（Tc）最高达17.59K。费米面附近的范霍夫奇点（VHS）对超导起关键作用，拉伸应变可显著提升SiBC4的Tc至20.48K。该研究为二维超导材料设计提供了新平台。

　　

在材料科学领域，二维材料因其独特的物理性质成为研究热点。石墨烯作为典型代表，虽具备卓越的电学性能，却因费米能级处态密度为零而无法实现本征超导。近年来，通过掺杂、应变调控或构建魔角双层结构等方法，研究人员虽在石墨烯超导改性方面取得进展，但轻元素二维超导材料的开发仍面临稳定性与超导温度提升的双重挑战。

针对这一难题，王晶晶团队在《iScience》发表最新研究，通过系统计算预测了三种新型硅硼碳单层材料（SiBC₄、SiBC₆和SiB₄C）的超导特性。这些材料不仅具备高稳定性，更展现出10.91-17.59K的超导转变温度，为轻元素超导材料研究开辟了新方向。

研究方法上，团队采用CALYPSO晶体结构分析粒子群优化算法进行结构搜索，基于密度泛函理论（DFT）开展电子性质计算，通过量子Espresso软件包结合Bardeen-Cooper-Schrieffer（BCS）理论和密度泛函微扰理论（DFPT）计算电子-声子耦合（EPC）与超导临界温度。采用Nosé-Hoover温度控制方法进行分子动力学模拟验证热稳定性。

结构特性与稳定性

通过1500K下10皮秒的分子动力学模拟证实三种材料均保持结构完整，弹性常数满足力学稳定性判据。SiBC₄、SiBC₆和SiB₄C的单轴拉伸强度分别达22.31、28.23和19.26N/m，双轴应变下临界应变分别为17%、13%和8%。

电子结构与范霍夫奇点

能带结构计算显示SiBC₆和SiB₄C在费米能级附近存在范霍夫奇点（VHS），SiBC₄的σ₁、σ₂和π费米面表明其可能具有分裂超导特性。应变调控可显著影响VHS强度，拉伸应变使能带平坦化并增强态密度。

电子-声子耦合与超导特性

声子谱分析显示无虚频模式，证实动力学稳定性。低于50cm^-1的低能声子模式贡献约80%的EPC，声子软化现象沿Γ-M和K-Γ方向显著。SiBC₄、SiBC₆和SiB₄C的EPC参数λ分别为0.86、0.93和1.12，属于中等耦合超导体，对应T_c为17.59K、12.18K和10.91K。

应变调控效应

双轴应变研究表明，压缩应变超过-2%会导致声子谱出现虚频，而拉伸应变至5%时，λ值增至1.04，T_c提升至20.48K。这归因于低声学支声子软化及费米能级附近态密度增加。

研究结论表明，三种硅硼碳单层材料兼具优异的热稳定性（1500K）、力学性能和本征超导特性。范霍夫奇点对超导起关键诱导作用，应变调控可有效增强电子-声子耦合强度。该工作不仅丰富了二维轻元素超导材料数据库，更为研究VHS在超导中的作用提供了理想平台。尽管存在计算模拟的局限性，但这些预测结构为实验合成新型二维超导材料指明了方向，有望推动纳米电子器件和超导量子器件的发展。