二维材料可分为单原子层二维材料和多原子层二维材料，如石墨烯和二硫化钼。单原子层二维材料中，原子处于平面二维晶场中，而对多原子层二维材料，原子仍然处于三维晶体场中，因此从原子的结合方式到电子结构，单原子层二维材料都属于一类比较特别的材料。
从元素构成上看，这类单原子层二维材料通常由III~V主族元素组成，如石墨烯，硼烯、六方氮化硼等。其原子外层电子为p电子，多通过sp2杂化形成共价键，形成二维六方晶格。这类材料晶体结构和元素成分比较单一，尤其是这类材料缺少d电子态，很大程度上限制了其物理性质的多样性。如果在这类单原子层二维材料中引人过渡金属，将极大的丰富这类材料的物理特性。相当于在石墨烯丰富性质的基础上再增加一个自旋自由度，得到一个“磁性石墨烯”或者“强关联石墨烯”。
从另一方面看，在凝聚态物理的诸多新奇现象中，电子间的强关联和电荷与自旋间的关联占了主要部分，如高温超导和量子自旋霍尔效应，通常出现在含d电子态的过渡金属化合物中。如果能制备出单原子层二维过渡金属化合物，这些体相中的物理现象在二维材料中的对应现象是什么，值得期待。同时，二维极限下，更容易澄清体系中的电子相互作用，揭示物理现象的发生机制。这样，单原子的二维过渡金属化合物，将为解决凝聚态物理中的一些复杂问题，验证已有的理论模型提供更方便的研究平台和实际对象。
从应用前景看，单原子层的二维过渡金属化合物，非常符合器件小型化的要求，可作为量子器件和自旋电子器件的制备材料。因此，无论从基础研究的角度，还是从应用角度看，单原子层的二维过渡金属化合物材料都有着重要的研究价值。
如何实现这种二维材料呢？近来，我们课题组以电子结构模拟和理论模型求解为主要手段，设计了几种结构，并研究了相关性质。首先，我们注意到MN4（M为金属）结构单元为平面构型且能嵌入石墨烯，设计了三种类石墨烯的单原子层钴碳氮化物CoN4C10, Co2N8C6, 和 Co2N6C6，[PHYSICAL REVIEW B 103, 125407 (2021)]，发现CoN4C2单层材料呈现出平坦能带和态密度的范霍夫奇点等电子结构特征[PHYSICAL REVIEW B 103, 155411 (2021)]。其次，我们采用张量重整化群方法求解伊辛模型，研究了CrN4C2单层中的铁磁相变[Appl. Phys. Lett. 118, 223104 (2021)]。对于如何提高此类二维材料的铁磁相变温度，建议了两个方法，一是采用磁原子二聚化的方法[J. Phys. Chem. C 126, 10139 (2022),封面文章]，二是加上层间耦合[arXiv: 2203.17126]。另外我们研究了这类材料的电子结构的拓扑性质，发现了PtN4C2 和 Pt2N8C6的量子自旋和谷霍尔效应[PHYSICAL REVIEW MATERIALS 6, 074202 (2022)]，从理论上证明MgN4具有极磁阻效应[Nanoscale 2022]。
基于上述研究，最近我们提出一种单原子层二维铬氮化物，如图1，Cr原子间通过N=N短链相连，形成二维正方晶格。此结构中不包含sp2杂化态，与已报道的单原子层二维材料都不相同。沿着Cr-N=N-Cr链，同时存在两个π-d共轭现象（图2a, b），本文中，我们首次提出双π-d共轭效应这一概念。因此，正方晶格的CrN4单层稳定结构来自于这种特别的双共轭效应。二维铁磁性自2017年在实验上实现以来，已经成为该领域重要课题。基于PBE，HSE，SCAN， LDA+U不同泛函的计算数据，通过用Monte Carlo 算法求解海森堡模型，我们确定CrN4单层具有高温铁磁性，居里温度超过300 K（图3），为海森堡模型预测的较高的相变温度。从Cr-N=N-Cr链大π键形成的角度解释了铁磁起源，即Cr原子间的铁磁交换作用起源于半满大π键的媒介作用。
该研究的意义在于预言一种正方晶格的新型二维铁磁材料，提出新的二维结构的稳定机制，提出了新的铁磁耦合的物理图像，首次发现并提出了双π-d共轭的概念。该研究为探寻新的二维铁磁材料开辟了方向。该研究成果发表于[PHYSICAL REVIEW B 106, 125421 (2022)]。
上述工作得到了国家自然科学基金资助，与中国人民大学谢志远课题组、北京师范大学马锋杰课题组、宁波大学高淼课题组合作完成，本课题组学生刘大鹏，张烁，冯盼君，刘冰心，刘彤做了大量工作。展示我们近期工作的目的，一方面为得到老师们的批评和指导，另一方面也希望更多的优秀学生报考我们研究组。
供稿审核：刘广强
编辑审核：许士通
终审：满忠晓
