具有非平庸晶格结构的二维材料中存在丰富的物理特性，这些特性由于受到对称性的保护而非常稳定。例如，以石墨烯和硅烯为代表的蜂窝晶格在布里渊区的K点存在线性色散的狄拉克锥。另一方面，在二维线图晶格中（包括笼目和棋盘晶格），对称约束导致布洛赫波的干涉相消，从而导致实空间中波函数的局域化或动量空间中的拓扑平带，导致出现多种强关联物理效应，包括分数量子霍尔效应、非常规超导和维格纳结晶化等。线图晶格中丰富的物理特性激发了人们对实现具体材料的强烈兴趣。例如，以Co₃Sn₂S₂和AV₃Sb₅ (A = K, Rb, Cs)为代表的三维晶体由于具有笼目晶格基本单元而受到了广泛关注。人们在这类材料中发现了许多奇特的物性，包括巨大的反常霍尔效应、手性电荷密度波和非常规超导。然而，由于实际材料中复杂的键合配置和不可忽略的层间耦合，这些材料中笼目晶格贡献的能带发生了严重变形。因此，人们更希望在单原子层材料中实现具有更简单原子结构的线图晶格。作为最简单的线图晶格，棋盘晶格的每个晶胞只有两个原子，并受到理论工作者的极大关注。然而，由于在每个晶格位置需要同时具有四重对称的结构和双重对称的原子间跃迁，棋盘晶格的材料预测和实现都具有极大的挑战性。

　　中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心表面国家重点实验室SF09组的冯宝杰特聘研究员和吴克辉研究员长期从事低维拓扑材料的制备和物性调控，近年来发现了多种新型的低维拓扑材料，比如狄拉克电子材料硅烯、硼烯和单层AlB2 [PRL 122, 196801 (2019); PRL 118, 096401 (2017); PRB 101, 161407(R) (2020)]、二维狄拉克节线半金属Cu₂Si [Nat. Commun. 8, 1007 (2017)]、二维外尔节线半金属GdAg₂ [PRL 123, 116401 (2019)]、人工石墨烯晶格单层C₆₀ [PRB 102, 201401(R) (2020)]、一维狄拉克材料硅纳米带[Nano Lett. 22, 695 (2022)]以及呼吸笼目半导体Nb₃Cl₈ [Nano Lett. 22, 695 (2022)]等。

　　最近，冯宝杰特聘研究员和吴克辉研究员指导博士生胡学高等，与北京理工大学姚裕贵教授团队的张闰午博士，以及重庆大学的马大帅博士合作，发现单层Cu₂N不仅具有理想的棋盘晶格，而且在空气以及各种有机溶剂中仍然非常稳定。

　　棋盘晶格特殊的对称性要求使他们联想到c(2×2)表面重构体系。如果在正方晶格的基础上增加周期性的原子，形成c(2×2)超结构，便可以实现棋盘晶格要求的跃迁方式。按照这一思路，他们找到了一种新型的二维材料——单层Cu₂N。声子谱计算和分子动力学模拟证实了单层Cu₂N在自由状态下是稳定的。第一性原理计算表明，单层Cu₂N在费米面附近不仅存在Cu原子构筑的棋盘晶格所特有的空穴型能带和拓扑平带，还存在N原子轨道贡献的范霍夫奇点。利用分子束外延技术，他们在Cu(100)和Cu(111)两种不同的衬底上均生长出了单层Cu₂N。利用角分辨光电子能谱技术，他们发现单层Cu₂N在布里渊区的M点存在一个空穴型的能带。第一性原理计算和紧束缚模型分析表明，该空穴型能带正是起源于由Cu原子构成的棋盘晶格。

　　这项工作将实验发现的二维线图晶格材料从笼目晶格拓展到了棋盘晶格，为研究阻错晶格中的强关联效应提供了一个新的平台。相关成果以“Realization of a Two-Dimensional Checkerboard Lattice in Monolayer Cu₂N”为题发表在近期的Nano Letters上。该工作得到了基金委、科技部、中科院国际伙伴计划、中科院先导B以及中科院青年团队计划等项目的支持。

　　原文链接：https://pubs.acs.org/doi/pdf/10.1021/acs.nanolett.3c01111

图一：棋盘晶格的构筑和单层氮化铜的电子结构

图二：氮化铜在两种铜衬底上的结构和稳定性

图三：ARPES测得的氮化铜的等能面

图四：氮化铜能带结构的ARPES结果与理论计算的对比