NSR觀點｜三維拓撲材料的開發：兩步法計算篩選策略

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《國家科學評論》(National Science Review，NSR) 最近發表了由中科院金屬研究所的陳星秋研究員撰寫的Perspective“Boosting the discovery of 3D topological materials: mixing chemistry with physics via a two-step computational screening strategy”

(https://doi.org/10.1093/nsr/nwx053)，介紹了一種融合化學和物理學的兩步法計算篩選拓撲材料的策略。

引言

晶格固體拓撲材料包括：拓撲絕緣體（TIs）、拓撲晶體絕緣體（TCIs）、拓撲狄拉克半金屬（DSMs）、拓撲外爾半金屬（WSMs）、拓撲狄拉克或外爾節線半金屬（NLSMs）等等。它們都具有受拓撲保護的重要表面態等特徵。因為拓撲材料在自旋電子學、量子電腦以及新物理等領域的應用前景巨大，

近年來，研究人員對它們進行了大量而深入的研究。目前，具有特殊性質的拓撲材料的設計，還是嚴重依賴傳統的試錯法。

目前報導的三維拓撲材料，一般具有兩個重要的共性特徵：一是電子軌道需全部填滿電子；二是需要發生所謂的能帶反轉。將這兩個特徵結合起來，就是一種計算材料科學中高通量計算篩選拓撲材料的方法。

第一步的篩選利用化學中的電負性來處理；第二步的篩選通過計算拓撲不變數來處理。

圖文介紹

圖1 一種兩步法計算篩選策略示意圖

（a）根據元素週期表中元素的電負性和對帶反轉的分析，軌道全部填滿電子示意圖；

（b）結合拓撲狀態，軌道全部填滿電子示意圖；

（c）利用電負性第一步計算篩選出來的TI（Bi2Se3族）和DSM（Na3Bi族）示意圖。

小結

在大資料、材料資訊以及材料基因組計畫的大框架下，

拓撲材料的開發，包括開發一種高通量的計算原則，結合兩步法計算篩選拓撲材料的方法來指導拓撲材料的設計。它的核心是闡明一種高通量、快速、準確的計算方法，透過拓撲材料實際情況的複雜性，提升拓材料篩選的準確性。

文章資訊：

Xing-Qiu Chen

Boosting the discovery of 3D topological materials: mixing chemistry with physics via a two-step computational screening strategy.Natl Sci Rev (2017). DOI: 10.1093/nsr/nwx053

https://doi.org/10.1093/nsr/nwx053