近日，我院量子功能材料计算与设计团队在二维材料设计方面取得新进展，预测了一类具有MXene结构的二维过渡金属硫化物大家族MSene。2025年1月21日，该研究成果以“MSene: A large family of two-dimensional transition metal sulfides with MXene structure”为题，以Letter形式发表于凝聚态物理学旗舰期刊Phys. Rev. B 111, L041404 (2025)。团队硕士研究生乔树祥为论文的第一作者，路洪艳教授和张平教授为通讯作者。团队博士研究生韩雨霖、焦娜副教授和郑萌萌副教授参与了本研究。
自从2004年石墨烯被成功剥离以来，二维材料因其不同于相应三维结构的独特性质而受到广泛关注。近年来，人们对各种二维材料进行了研究，如硼烯、磷烯、h-BN、过渡金属二硫族化合物（TMDs）、MXenes等。这些材料通常表现出优异的电子、机械、催化、吸附和光学性能，使它们成为物理、化学和材料科学研究的焦点。发现具有独特性质和潜在应用的新型二维材料仍然是凝聚态物理研究的重点。
近期，该团队基于高通量计算，理论预测了一类具有MXene结构的二维过渡金属硫化物大家族M2S，包括2H和1T相，并将其命名为MSene（图1）。证明了在58个MSenes中有24个是稳定的。值得注意的是，该家族包括12种超导（SC）材料、7种超导拓扑金属（SCTMs）、4种电荷密度波（CDW）材料和5种磁性材料，其中包括1种铁磁（FM）和4种A型反铁磁（AFM）材料。例如，2H-Mo2S是一种SCTM，其超导转变温度为10.2 K，并且还具有非平庸的拓扑性质（图2）；1T-Hf2S是一种CDW材料，其CDW起源于电声耦合。压缩应变可以抑制CDW，导致超导性的出现（图3）；2H-Cr2S和1T-Mn2S分别表现出FM和A型AFM性质（图4）。因此，本研究预测的MSene大家族显示出丰富的物理性质，并显著扩展了二维材料的种类。它可以作为一个研究二维材料中SC、CDW、FM、AFM和拓扑相等多个序的竞争或共存的平台，为凝聚态物理、材料物理等领域提供了新的研究方向，也为实验制备及其在纳米电子器件中的应用奠定了重要的理论基础。
图1 (a-b) 2H和1T-MSenes的俯视图和侧视图；(c) 稳定MSenes的性质概述
图2 2H-Mo2S的能带拓扑和超导性质
图3 本征1T-Hf2S和在4%压缩应变下1T-Hf2S的性质
图4 (a-c) 2H-Cr2S的俯视图和侧视图、能带结构和态密度；(d-f)与(a-c)相似，但对应于1T-Mn2S
该项研究工作得到了国家自然科学基金面上项目、国家重点研发计划项目、山东省自然科学基金重大基础研究项目、山东省自然科学基金面上项目、以及山东省高等学校青创人才引育计划团队项目的支持。
曲阜师范大学量子功能材料计算与设计团队成立于2019年，是山东省首批高等学校青创人才引育计划立项建设团队。2021年，团队获批济宁市新型量子功能材料重点实验室。近五年，团队承担国家自然科学基金面上项目、青年项目、山东省高等学校青创人才引育计划团队项目、山东省自然科学基金重大基础研究项目、面上项目等多项。团队在镍基高温超导体机制研究、常压下轻质元素高温超导体理论预测、以及新型二维材料的超导、拓扑、铁电、磁性、电荷密度波等物性与调控方面取得了系列创新性研究成果，在国际著名物理学期刊发表学术论文50余篇，包括Phys. Rev. B 11篇（含Letter形式2篇）、Phys. Rev. Mater. 4篇、Phys. Rev. Research 1篇、Sci. China-Phys. Mech. Astron. 1篇、Mater. Today Phys.3篇等，另有 1篇Phys. Rev. Lett.正在出版中。研究成果受到国内外同行的广泛关注。2023年12月，量子功能材料计算与设计团队被评为曲阜师范大学“优秀研究生导学团队”。
论文第一作者乔树祥是物理工程学院二年级硕士研究生，导师张平教授和路洪艳教授，本科毕业于曲阜师范大学。本科期间，主持完成大学生创新创业训练计划项目一项，获曲阜师范大学优秀学士学位论文、“挑战杯”大学生课外学术科技作品竞赛一等奖；研究生期间，获曲阜师范大学研究生一等奖学金、优秀团员、研究生学术论坛三等奖等荣誉。目前以第一作者在Phys. Rev. B (Letter形式)、Mater. Today. Phys.和Phys. Chem. Chem. Phys.期刊上发表学术论文3篇。
文章链接：https://journals.aps.org/prb/abstract/10.1103/PhysRevB.111.L041404
供稿审核：刘广强
编辑审核：王文志
终审：满忠晓
