去年三月，麻省理工学院的在读博士生曹原以第一作者身份在《nature》上发表了两篇重磅论文，揭示了“魔角”下石墨烯的超导性质：两层平行石墨烯堆成约1.1°的微妙角度时可产生超导效应。值得一提的是，石墨烯的导带与价带刚好交于第一布里渊区的六个顶点，即狄拉克点，故而石墨烯是一种零带隙二维半导体材料，这一特点也限制了其在电子逻辑器件方面的应用。

于是，人们开始将目光转向类石墨烯材料：二维过渡金属硫族化合物 (Transition Metal Dichalcogenides, TMDCs)纳米材料是一种新型的类石墨烯材料，具有优异的电学、光学及催化特性^[1]，这源于其能带结构中的维度效应和电子调制^[2]，可用于逻辑器件^[3]。由于TMDCs带隙可调，它可以用于场效应晶体管和逻辑器件，这方面有着优于石墨烯的特性，例如CdS，PdS等^[4]。以MoS2为例，块体MoS2为间接带隙半导体，带隙宽度为1.29 eV，随着层数的减少，MoS2带隙逐渐变大，最后单层MoS2发生间接带隙到直接带隙的转变，带隙宽度为1.8 eV^[5]。随着应用原子材料的不同，如MoS2、MoSe2、WS2、WSe2、NbS2等^[6]，其将具有半导体、金属态、超导性质等，这便使得TMDCs在纳米电子器件和光电子学等诸多领域具有广阔的应用前景，从而受到广泛的关注。

TMDCs的结构与石墨烯类似：在层状结构中，每层的厚度为6~7 埃，它们由六方层状金属原子三明治式地包裹在两层硫族原子中。层内的M-X键是共价键，而层与层之间则通过较弱的范德瓦尔斯力连接着，因此这就使其可以沿着层的表面撕开。在制备方面，TMDCs的制备技术在现阶段已经成熟，人工制备过渡金属硫化物的技术有很多，包括分子束外延(MBE)，化学气相沉积(CVD)，有机金属化学气相沉积(MOCVD)等。而单层的过渡金属硫化物的制备方法与石墨烯接近，如机械剥离法。石墨烯的机械剥离法又称为苏格兰胶带法，没有任何化学掺杂，对于材料纯度的维护很有帮助，其得到的二维材料的性质测试准确。而对于过渡金属硫化物，相较于高温液相法^[7]，因为其层与层之间弱小的范德瓦耳斯力作用，机械制作的难度也随之下降，机械剥离法成为最热门可靠的二维过渡金属硫化物的制作方法。但这种方法也有非常明显的缺陷，例如制备的薄膜厚度和尺寸不可控，由于机械方法会被撕裂，得不到完整的结构，对于边缘态的分析非常不利，另外机械剥离的产量低，制作手法的繁杂导致重复性较差^[8]。

一般来说，TMDCs的典型结构是六角(hexagonal)相，不过PdSe2/PdS2等却能形成独特的五角(pentagonal)结构。那么这种独特的结构会带来什么奇特的性质，其他TMDCs又是否具有这种Pentagonal结构便成了值得探讨的话题，这也正是本文所要研究的问题。以

PdSe2为例，每个Pd原子与同一层中的四个Se原子结合，两个相邻的Se原子可形成共价的Se-Se键，两个Pd原子和三个S原子可形成皱褶五角形^[9]。块体PdSe2在具有空间群Pbca的PdS2型斜方晶结构中结晶，块体结构由沿c轴堆叠的2DSe-Pd-Se层组成，它们彼此很好地分开，具有明显的范德华间隙。每个单层具有三层构造，其中间的Pd原子与位于顶层和底层的四个Se原子共价键合。此外，Se-Se键合连接顶层和底层，这种布置平面的分离较大。在计算中，通过沿着轴线添加真空空间从单个结构中切出单层结构，这使得平面中的潜在各向异性成为可能^[10]。在应用上，二维高温铁磁材料对于自旋电子应用是重要的。通过从分层散装材料中剥离，可制成高度空气稳定的PdSe2单层半导体。在这种优异的非磁性单层半导体非常有希望实现稳健的铁磁性，甚至半金属铁磁性（100％自旋极化）。第一性原理研究表明，PdSe2单层可以达到Stoner铁磁性，最大居里温度达到800K，铁磁性的空穴浓度阈值随着单轴应力的增加而降低。此外，在一些空穴浓度区域中可以实现半金属化。对于10％的应变（单轴拉伸应力为4.4N / m），单层可以达到150 K的半金属铁磁性。磁各向异性能量不仅适用于稳定2D铁磁性而且还适用于实现快速磁化反转。还可以通过施加横向单轴应力来控制磁化。具有这些优点的高度空气稳定的PdSe2单层非常有望用于自旋电子应用^[11]。