论文题目：低维四方晶格材料结构力-电-磁耦合功能性的物理力学研究

作者介绍

轩啸宇，2016年获南京航空航天大学飞行器设计与工程专业学士学位，2023年获南京航空航天大学纳米力学专业博士学位。主要研究方向为低维材料的力-电-磁耦合及电子拓扑。读博期间，以第一作者身份在Physical Review Letters, Science Bulletin, Nano Letters等期刊上发表论文6篇，获得2020年博士研究生国家奖学金。

研究背景、选题意义、选题价值

      低维材料因电子运动被限制在一维或二维空间，展现出宏观体系所不具备的物理力学性质，是微纳尺度力学的研究热点。低维铁性材料（铁磁、铁电、铁弹）及其多铁体系，因具有至少两个可相互转化的等价态，是构建下一代非易失存储器的理想载体。然而，铁磁性与铁电性起源冲突（d/f轨道部分占据与空占据），导致本征磁电多铁材料极为稀少。相比之下，铁弹性源于晶格对称性破缺，与磁性或铁电性无此类冲突，基于铁弹的多铁材料设计更具可行性。

      具有四方晶格的二维MX材料（M为过渡金属，X为非金属）可在正方形与长方形晶格间发生铁弹性畸变，且因含过渡金属而兼具磁性。但迄今为止，其破坏四次旋转轴的微观物理力学机制尚不明确，揭示该机制对设计力‑磁耦合的弹磁多铁材料至关重要。值得注意的是，同一类正方形晶格MX材料中还可能实现室温量子反常霍尔效应——无需外磁场即可呈现量子化霍尔电阻与零纵向电阻，这对低能耗拓扑电子学具有重要价值。理论预测FeI与LiFeSe可望实现该效应，但前者形成能为正、合成困难，后者均匀掺杂极具挑战。因此，在该晶格体系中寻找负形成能、居里温度及拓扑带隙远超室温的新材料，是当前的研究前沿。

      然而，上述二维材料在可控制备和实际集成中仍面临挑战。相比之下，单晶硅工艺成熟、纯度最高，但缺乏本征磁极化与电极化。现有诱导磁性方法（掺杂磁性原子、构造悬挂键、化学吸附）存在团簇、第二相或制备复杂等难题。因此，在传统半导体表面简单可控地引入铁磁性，并与电极化耦合，成为拓展硅基功能性的重要方向。

主要研究内容

      本论文围绕低维四方晶格材料的结构力-电-磁耦合功能性，采用第一性原理计算与高通量筛选方法，开展了以下四个方面的系统研究：

      一、揭示了二维四方晶格MX材料中铁弹性的微观机制并构建了高精度描述符。 以FeAs结构为框架，筛选出166种稳定的二维MX单层，其中65种具有铁弹性。通过布里渊区Γ点的原子轨道成键分析发现，当M-d与X-p轨道杂化以及M-d与M-d轨道耦合均较弱时，正方形晶格失稳并相变为具有铁弹性的长方形晶格。基于价电子特征与机器学习，建立了物理可解释的铁弹性描述符，对166种MX的预测准确率达89%。

      二、预测了多种铁弹-磁性耦合的二维多铁材料。 在65种铁弹MX中发现17种弹磁多铁材料，其中11种具有面内易磁化轴，可实现应变对磁性的调控。详细研究了FeAs（反铁磁）、CrN（铁磁， Tc = 478 K）和VP（铁磁， Tc = 106 K）单层。VP还具有自旋半金属性与狄拉克锥，在4%双轴应变下可转变为量子反常霍尔绝缘体。

      三、发现了室温量子反常霍尔效应材料TiTe。 单层TiTe居里温度高达650 K，拓扑带隙261 meV；层间通过d-p-p-d超超交换保持铁磁耦合，居里温度随层数增加升至760 K，拓扑陈数可随层数叠加。该材料可在室温甚至更高温度下实现无耗散手性边缘态输运。

四、在传统Si(001)表面实现了铁磁-铁电多铁性。 空穴掺杂可在Si(001)表面的p(2×2)重构中诱导出铁磁性，该磁性可通过施加电场驱动结构向p(2×1)铁电相转变而消除，实现电场对磁性的非易失控制，为硅基多铁器件提供了新思路。

主要创新点

      本论文基于物理力学建模和原子尺度计算，系统研究了新型低维材料的力磁耦合效应及其功能性，取得的主要创新发现为：

      一、通过高通量计算预测了65种二维四方晶格铁弹材料，揭示了由应变驱动电子轨道重杂化的铁弹相变机制，并通过发展机器学习模型建立了首个判定二维材料铁弹性的高精度描述符，为二维铁弹材料的研发提供了简单有效的理论工具。

      二、发现二维四方晶格碲化钛具有室温稳定且层数可叠加的本征量子反常霍尔效应，而二维VP具有应变可控的拓扑手性边缘态，稳定温度均远高于报道的仅能在液氦环境下稳定的体系。

      三、发现在空穴掺杂下硅表面具有应变驱动的铁磁性，为在信息基石材料硅中实现不依赖过渡金属元素自旋磁性开辟了新途径。