清華-伯克利深圳學院（TBSI）成會明、鄒小龍團隊Materials Today綜述：二維納米結構的計算設計和性質預測

【引言】

二維材料新奇的性質使其在納米電子、光電子、壓電、谷電子、自旋電子等器件應用中具有巨大潛力，對具有奇特性質的新型二維材料的尋找與優化設計方興未艾。由于二維材料往往具有大量的可能構型，過去的不斷試錯的實驗研究方式在缺乏清晰指導的前提下成本太高，而通過與理論計算研究的有機互動可以在以下三個方面大大促進二維材料的研究進程：

1.理論計算可以促進新材料及新性質的預測；

2.理論計算可以預測新型二維材料的可能合成路徑；

3.通過合理的模型設計，理論計算可為研究二維材料物理性質以及其對不同條件的響應提供了理想的平臺。

截至目前理論研究已經產出了巨量的研究成果，亟需對該領域最近的進展、當前的挑戰以及未來的機遇等進行系統性地總結和展望。

近日，清華大學清華-伯克利深圳學院（TBSI）低維材料與器件實驗室成會明院士、鄒小龍教授團隊受邀在知名綜述期刊Materials?Today上發表了題為《Computational design and property predictions for two-dimensional nanostructures》的綜述性學術論文。該綜述從以硼烯為代表的二維材料的結構和生長路徑預測出發，闡述理論計算對預測新材料和其生長路徑的促進作用。針對二維結構多種奇特物理性質，系統性地總結了近年來二維材料設計和性質預測的重要成果，包括：二維狄拉克材料、高遷移率二維材料、二維半導體及其異質結、二維鐵電、鐵彈和壓電材料、二維磁性材料以及二維材料的缺陷對其結構和性質的影響。文章進一步探討了這些具有奇異性質的二維材料在電子、光電子、傳感、電致形變以及自旋電子器件中的應用前景。最后，在此基礎之上該文章總結了該領域目前的趨勢和對未來發展的展望。

【圖文簡介】

圖1：綜述總覽圖。二維材料的計算設計和性質預測

圖2：二維材料的帶隙

圖3：二維材料的能帶對齊和壓電系數

表1：二維鐵電和鐵彈材料的性質

【總結與展望】

雖然理論計算取得了巨大的成功，并且其預測準確度也得到不少實驗的驗證，但是在未來的發展上仍面臨一些重大挑戰：

1.需要開發以有效的功能為導向的反向設計方法；

2.對理論預測的結果需要更嚴格的結構穩定判定以及更全面的勢能面分析得出可能的合成路徑；

3.針對近年來理論計算形成了龐大的數據庫，需要開發高效的高通量計算和機器學習算法以促進二維材料的設計和優化。

該綜述論文第一作者是清華-伯克利深圳學院（TBSI）2017級博士生徐潤章，論文通訊作者為成會明院士和鄒小龍教授。論文作者還包括劉碧錄教授。

相關工作得到了中組部青年“千人計劃”、深圳市科創委、深圳市發改委等部門的支持。

文獻鏈接：Computational design and property predictions for two-dimensional nanostructures ( Materials Today 2018, 4, 391-418, DOI: 10.1016/j.mattod.2018.03.00)

【研究團隊簡介】

清華-伯克利深圳學院“低維材料與器件實驗室”(The Low Dimensional Materials and?Devices Laboratory)主要從事低維材料的理論設計、可控生長及其在電子和能源器件領域的應用。本實驗室以成會明院士為實驗室主任，目前有4位PI（包括成會明教授、劉碧錄研究員，鄒小龍研究員、丘陵研究員）。

本文由清華大學清華-伯克利深圳學院（TBSI）成會明、鄒小龍團隊供稿，材料牛編輯整理。

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