湖南大学考研(湖南大学考研专业目录及考试科目)

湖南大学考研，湖南大学考研专业目录及考试科目

泊松比以法国著名数学家西蒙·泊松命名，定义为负侧向收缩应变与纵向伸长应变之比。一般认为，几乎所有材料都具有正泊松比，但近年来发现的一些具有特殊结构的材料具有负泊松比效应。负泊松比材料，即拉胀材料，是近十年来出现的新型结构和功能材料，具有拉伸下膨胀或压缩下收缩的力学性能。拉胀材料的独特行为使得材料具有吸收振动和能量等特殊性能，因此引起了材料科学家和物理学家的广泛关注。尽管现在已经报道了很多具有负泊松比行为的二维材料，但它们的起源仍然被普遍归因于几何机制和机械因素，例如黑磷烯的铰链结构。然而，对于一些特定的材料，电子的行为也会影响泊松比的演化，其中的底层机理和影响规律亟需开展深入的研究。

负泊松比行为通常归因于带有再入机制或其他机械因素的几何演化，传统上认为与电子结构无关。具有以电子效应为主导的负泊松比材料，再加上其他显著的特性，可能会产生意想不到的新功能。基于第一性原理计算，本文研究了一类新型二维(2D)过渡金属硫族化合物(TMCs)，即 X2Y2-type (X=Cu, Ag, Au; Y=O, S, Se)的矩形 TMCs (R-TMCs)，我们在单层R-Cu2Se2发现了一种由电子效应驱动的负泊松比现象。这种负泊松比行为在其它R-TMCs中是不存在的。这种新兴的负泊松比行为是由于R-Cu2Se2中强的层内相互作用的应变响应，它进一步可以追溯到 Se 原子在多轨道杂化下的孤对电子和弱电负性。R-Cu2Se2蕴含的负泊松比行为，使其成为一种有前景的新型电子器件保护材料，我们的研究也将为设计先进的拉胀材料提供有价值的线索和指导。

日前，湖南大学秦光照教授团队在Applied Surface Science上发表了题为“Emerging negative Poisson’s ratio driven by strong intralayer interaction response in rectangular transition metal chalcogenides”的研究文章，在一组具有矩形结构的新型二维过渡金属硫族化合物中发现了一种具有电子效应驱动的非常规的负泊松比行为。

该研究报道了一种具有矩形结构的过渡金属硫属化合物R-TMCs单层，并对R-X2Y2的泊松比行为进行了全面的研究。当施加应变时，只有单层R-Cu2Se2 具有负泊松比行为，其它R-TMCs单层中没有发现负泊松比。该负泊松比行为表现出与结构无关的特性，与之前报道的再入机制主导的负泊松比行为不同，这种行为可以归因于电子效应驱动的强的层内相互作用的应变响应。通过追踪关键几何参数和轨道演化可以深入理解负泊松比的起源，这可以进一步用两种几何竞争模式的响应来解释: 以角度为主导GA 模式和以长度为主导GL 模式。尽管所有R-TMCs单层表现形同的几何演化行为，但在R-Cu2Se2中，较小的角 θ导致更强的层内相互作用响应。这种强的响应源于层内电荷累积产生的侧向排斥力，它可以使用ELF 和ICOHP方法进一步量化，由此进一步追溯到多轨道杂化下 Se 原子的孤对电子和弱电负性。对这一独特的NPR 机制的理解，可以为新型拉胀材料的发现或设计提供有价值的线索和指导。据我们所知，尽管自然界丰富的矿产资源中普遍存在铜化合物，甚至已经通过实验合成了不同维度的硒化铜，但在其他的硒化铜相中还没有报道过这样的NPR 行为。结合有前景的电学和光学特性，独特的多功能性能使得单层R-Cu2Se2 成为有前景的电子保护材料。

图1 几何结构以及非常规负泊松比行为；(a) R- X2Y2 (X=Cu, Ag, Au 和 Y=O, S, Se)的几何结构视图。(b) R- X2Y2 中具有对称运动的局部的晶格形态和原子。(c)R-Cu2Se2的声子色散和声子态密度。(d) R-X2Y2的最高和最低泊松比。插图显示了单层R-Cu2Se2的各向异性的负泊松比。

如图1(a)所示，单层R-X2Y2的原胞中包含两个X (X=Cu, Ag和Au)原子和两个Y (Y=O, S 和Se)原子。从侧面看，R- X2Y2 具有锯齿形的屈曲结构。此外该单层表现出非金属屏蔽性，即金属原子在中间层，非金属原子在外层。此外，层中部的X原子与Y原子分别形成二和四配位的键合构型，而两个Y原子仅形成等效的三配位的键合构型。图 1(b)进一步展示了涉及负泊松比演化的局域对称原子示意图。图1(c)所的声子色散表明单层R-Cu2Se2的动力学稳定性。值得注意的是，在所有的R-X2Y2构型中，只有R-Cu2Se2具有负泊松比行为，表现出结构无依赖性。

图2. 负泊松比的各向异性. 由应变驱动的沿(a) x和(b) y方向机械响应。对应于负泊松比的沿(c) x 和(d) y 方向局域的原子位移。绿色和红色箭头分别表示强迫和响应应变驱动的位移方向。

如图2（a，b）所示，在 x 和 y 方向分别施加正交的强迫应变，R-X2Y2表现数各向异性的负泊松比行为，分别为-0.25 和-0.07，与基于弹性常数计算的结果较好地吻合。如图2（c，d）所示，单层 R-Cu2Se2的原胞包含两个Cu原子和两个Se原子，但由于对称性，两个 Se 原子的位移模式是等价的。因此，可以通过追踪由Se原子为顶点组成的四面体的演化来理解负泊松比的行为。当应变沿着x方向施加时，会增加其相邻Cu原子之间的距离，诱发Se原子向下移动，导致角 θ 增加，促进了负泊松比行为的产生。同样，沿y 方向的应变诱导Se原子的向下运动，这导致Cu1原子移动到 x 轴的两侧，最终产生负泊松比行为。简而言之，各向异性的负泊松比在几何上是由于单轴应变而使四面体变平而产生。

图3. 负泊松比的起源。(a) R-Cu2Se2和(b) R-Ag2Se2中由应变驱动的几何响应。(c) R-X2Y2中特征角的比较。(d) R-Cu2Se2和R-Ag2Se2的ICOHP值随应变的变化。(e) NPR 演化中的两种竞争模式，包括几何长度(GL)和几何角度(GA)模式。(f, g) 当应变为0%和5%时的R-Cu2Se2的电子局域函数。(h, i) 当应变为0%和5%时的R-Ag2Se2的电子局域函数。

为了进一步解释负泊松比行为，选取单层R-Cu2Se2和R-Ag2Se2的几何和电子响应进行对比研究。相关的特征长度 l1 和 l2 特征角θ是被展示在如图 3 (a-c)。当施加拉伸应变时，提取出如图 3 (e)所示的两种相互竞争的几何模式：(1)几何长度(GL)模式，该模式意味着键长缩短;(2)几何角度(GA)模式：该模式意味着只有角度发生变化。两种模式对泊松比的贡献是相反的且相互竞争的，即 GA 模式倾向于负泊松比，而GL模态贡献正泊松比。有趣的是， R-Cu2Se2的几何响应和R-Ag2Se2表现出如图 3 (a)和(b)所示的一致行为，即特征角θ增加，特征长度l1增加和l2减少。相似的几何演化源于它们相同的几何构型和同主族元素组成。不同之处在于单层R-Cu2Se2中，角度 θ 随应变增加较快，它克服了GL模式倾向于产生正负泊松比的影响。这是由于R-Cu2Se2由于几何最小特征角θ，层内相互作用应变响应相对较强。这种强烈的层内相互作用响应源于层内波函数的重叠，可以直观地反映在图 3(f-i)所示的电子局域函数中，并且可以由如图 3(d)所示ICOHP值量化。

图4. 电子性质与起源。(a) HSE06和PBE泛函计算的R-X2Y2的带隙对比。彩虹带表示理想的光学吸收带隙。(b)单层R-Cu2Se2的能带结构。(c)单层R-Cu2Se2的3维的价带顶和导带底。(d)单层R-Cu2Se2的三维电子局域函数 (等值面0.8)以及(e)二维电子局域函数。

最后，评估了R-X2Y2的电子性质。如图 4(a)所示，基于HSE06泛函，所有R-X2Y2单层都表现出半导体特性。进一步，图 4(b，c)分别展示了R-Cu2Se2的能带结构以及价带顶与导带底的三维图像。价带顶主要由 Se-p、Cu-p 和 Cu-d 轨道贡献，而导带底主要由 Se-p 和 Cu-d 轨道贡献。在整个成键区，Se-p 和 Cu-d 轨道的贡献远远高于其他轨道。注意，Se 原子中s 电子的能量比 Cu 原子中的成键电子要低得多，形成了孤电子对。在R-Cu2Se2中，s，p轨道并进一步与 d 轨道杂化，产生更复杂的多轨道杂化，这比简单的杂化更容易促进小的键角。此外，孤对电子在中心 Se 原子中的电子云是肥厚的，对成键电子对有很大的排斥力。因此，孤对电子的电子可以使成键电子对彼此靠近，键角被压缩，变得更小。此外，与 O 原子和 S 原子的 2.58 和 3.44 相比，中心 Se 原子的电负性较小，为 2.55。因此，成键电子离 Se 原子越远，成键电子对之间的斥力越小，成键角越小。因此，当受到拉伸应变时，具有更小键角的R-Cu2Se2更容易产生GA 模式响应和更强的层内相互作用响应,最终促成了独特的负泊松比行

1.L. Yu, Y. Wang, X. Zheng, H. Wang, Z. Qin, and G. Qin*, Emerging Negative Poisson’s Ratio Driven by Strong Intralayer Interaction Response in Rectangular Transition Metal Chalcogenides, Applied Surface Science 155478 (2022).

2.L. Yu, Z. Qin, H. Wang, X. Zheng, and G. Qin*, Half-Negative Poisson’s Ratio in Graphene+ with Intrinsic Dirac Nodal Loop, Cell Reports Physical Science 3, 100790 (2022).

3.Y. Wang, L. Yu, F. Zhang, Q. Chen, Y. Zhan, L. Meng, X. Zheng*, H. Wang*, Z. Qin*, and G. Qin*, The Consistent Behavior of Negative Poisson’s Ratio with Interlayer Interactions, Materials Advances 3, 4334 (2022).

4.Jing Wu, E Zhou, Zhenzhen Qin, Xiaoliang Zhang*, and Guangzhao Qin*, Accessing negative Poisson’s ratio of graphene by machine learning interatomic potentials, Nanotechnology 33, 275710 (2022);

5.G. Qin* and Z. Qin*, Negative Poisson’s Ratio in Two-Dimensional Honeycomb Structures, npj Comput Mater 6, 51 (2020).

6.Zhenzhen Qin, Guangzhao Qin*, and Ming Hu*, Origin of anisotropic negative Poisson’s ratio in graphene, Nanoscale 10, 10365 (2018);

通讯作者简介

秦光照，男，任职于湖南大学机械与运载工程学院和汽车车身先进设计制造国家重点实验室，教授，博士生导师，岳麓学者，Vebleo Fellow，湖南省海外高层次人才，国家留学基金委建设高水平大学公派研究生项目及中外合作项目评审专家，担任多个知名国际期刊编辑和审稿人。获德国亚琛工业大学最佳博士论文奖（博士学位最高荣誉SUMMA CUM LAUDE），国家优秀自费（非公派）留学生奖学金，以及2021中国新锐科技人物卓越影响奖。曾先后在郑州大学、中国科学院、德国亚琛工业大学和美国南卡罗莱纳大学从事科研工作。主持中国国家自然科学基金项目（NSFC）、美国博士后创新项目、德国jara高性能计算项目等。主要从事微纳尺度传热及智能热管理方面的研究工作。共计合作出版发表高水平SCI论文80余篇，论文总被引2800+次，H因子25。另有学术专著3部，软件著作权2个。更多详细信息请见个人主页：http://qgz.sxl.cn/；http://grjl.hnu.edu.cn/p/2019216

感谢作者团队对本文的大力支持。

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