二维Janus过渡金属硫属化合物（JTMDs）因其独特的结构不对称性和丰富的物理性质，成为新材料领域的研究热点。然而，其稳定性机制一直困扰着实验合成进展。近日，湖南大学研究团队在《Physical Review B》发表重要工作，首次从电子尺度揭示了JTMDs的稳定性起源，并提出了一类具有本征铁谷性质的新型二维Janus稳定材料，为二维Janus材料的合成与设计提供了全新思路。
图1 JTMDs稳定性的副族依赖现象与稳定性机制示意图
研究团队系统计算了78种1H相JTMD单层的稳定性，发现42种结构稳定。这些稳定的结构明显依赖于过渡金属原子的副族分布：稳定的结构主要集中在第IVB族和第VIB族，共32种稳定结构；第VB族发现4种稳定结构；而在后过渡金属基（第VIIB和VIIIB族）结构中，仅6种稳定结构。稳定性呈现出这种副族依赖特性以及前后过渡金属基结构显著差异的现象，为深入探究JTMDs稳定性的电子机理提供了重要线索和研究方向。
图2 配体场轨道排列与键能
JTMDs中的金属原子位于三角棱柱晶体场中。基于配体场理论分析，从第IVB到VIIIB族结构反键态依次增加填充电子数，导致键能升高。然而，这一键能结果无法解释JTMDs稳定性的副族依赖现象。
有趣的是，整数磁矩与稳定性之间存在强烈关联：整数磁矩结构几乎全部稳定。这表明整数磁矩可能通过特定机制增强结构稳定性，甚至使得某些反键电子数较多的结构反而更易稳定。实际上，这种整数磁矩特征源于费米面附近的轨道分裂，其与稳定性的内在关联值得深入研究。基于此，该工作提出费米能级（EF）附近的轨道相互作用及其导致的分裂效应是决定JTMDs稳定性副族依赖特性的关键因素。该研究首先针对N0~2体系进行了系统论证。
图3 N0体系的分子轨道劈裂（MOS）机制
对于N0体系，由于成键态与反键态在EF完全分离时，系统呈现MOS构型，具有最低键能，从而稳定。然而，若配体p轨道展宽过度，穿过费米能级，则会导致键态填充不全，破坏稳定性。
图4 N2体系的晶体场劈裂（CFS）机制
尽管N2体系比N0体系多两个反键电子，却更容易稳定。研究发现，CFS机制与Jahn-Teller效应共同作用，使EF处的反键轨道分裂比N0体系更容易发生。这种轨道分裂能将高能反键态推高、低能态压低，从而降低总能量，增强稳定性。带隙与键能的关系图能证明这一结论。
图5 N1系统的自旋极化劈裂（SPS）机制
N1体系由于存在单电子，易发生自旋极化，形成SPS构型，其稳定性的根源是自旋上下通道中MOS与CFS的协同作用。然而，多数N1体系因SPS被晶体场压制、以及a*轨道自身的能带展宽，致使EF处的反键轨道分裂很容易被湮没，难以稳定，却可能通过Peierls相变进入稳定的电荷密度波（CDW）态。值得注意的是，CDW态电子构型与SPS构型相同。
图6 键合模式竞争与键级分析
在N3~6体系中，分数磁矩占据主导地位，内在不稳定现象普遍存在，这源于削弱的离子键。即使增强的共价键能够补偿其稳定性，镜面对称破缺也会阻止两侧对位配体间共价键的形成，所以这些含氧结构都因无法形成共价键而不稳定。相比之下，N0~2体系的离子键不仅离子性更强，而且键级更大，所以主导稳定性。因此，其配体场反键态中金属d轨道的成分比例更高，更容易受d电子排斥作用影响发生轨道分裂。
图7 轨道分裂构型与稳定性机制总结
因此，前过渡金属基结构副族依赖的稳定性源于主导的离子键特性促使金属d轨道间产生强电子排斥，引发显著反键轨道劈裂，从而通过库伦斥力维持结构稳定；而在后过渡金属基结构中，较强的共价键可以促进结构稳定，但本征面外极化导致配体间共价键强度降低，致使结构失稳。基于上述机理，该工作提出了三种轨道分裂构型的稳定性分类准则：MOS、SPS、CFS机制，分别对应N0~2体系。
图8 新型铁谷材料设计
基于上述机制，研究团队设计出一类新型Janus过渡金属二卤化物（JTMDHs），如ScBrI。该类材料不仅结构稳定，还具有本征铁磁性和谷极化特性，能带谷值能量差达69 meV，贝里曲率呈现明显的谷对比行为，极具应用潜力。
这项研究首次建立了JTMDs稳定性与电子结构之间的直接联系，不仅解释了现有实验合成的局限性，更为设计具有特定电子性能的二维Janus材料提供了理论依据与实现路径。该成果由湖南大学李磊博士为第一作者，黄维清教授为第一通讯作者，段曦东教授、黄桂芳教授为论文共同通讯作者。
团队介绍
黄维清，湖南大学 物理与微电子科学学院 教授，博士生导师，湖南大学“岳麓学者”。主持或主研国家自然科学基金项目、湖南省自然科学基金项目、湖南省科技计划项目等课题十余项。已在Adv. Mater., Nano Lett.，ACS Nano，Adv. Funct. Mater.，Adv. Energy Mater.， Appl. Catal. B: Environ.，Phys. Rev. B，APL等杂志发表论文290余篇，SCI引用8000余次，h因子 51。主要研究方向为计算凝聚态物理、清洁能源材料物理及器件、微纳结构光电功能材料物理及清洁能源和绿色环境材料。
黄桂芳，湖南大学 物理与微电子科学学院 教授，博士生导师。博士、教授、博士生导师。主持或主研国家自然科学基金项目、湖南省自然科学基金项目、湖南省科技计划项目等课题十余项。已在Adv. Mater.、ACS Nano、Adv. Funct. Mater.、Adv. Energy Mater.，Appl. Catal. B: Environ.和Electrochim Acta 等学术杂志上发表论文140多篇；获批国际专利一项，发明专利两项，实用新型专利两项，起草国家标准两项、机械行业标准两项。
文章信息
Key role of orbital splitting in two-dimensional Janus transition metal dichalcogenides:
From stability to ferrovalley material design
Lei Li, Ji-Chun Lian, Zi-Xuan Yang, Tao Huang, Jun-Qi Xu, X. S. Wang, Gui-Fang Huang,
Wangyu Hu, Wei-Qing Huang, and Xidong Duan
PHYSICAL REVIEW B 112, 075423 (2025)
DOI: https://doi.org/10.1103/fhtt-zvkd
