清华-伯克利深圳学院（TBSI）成会明、邹小龙团队Materials Today综述：二维纳米结构的计算设计和性质预测

【引言】

二维材料新奇的性质使其在纳米电子、光电子、压电、谷电子、自旋电子等器件应用中具有巨大潜力，对具有奇特性质的新型二维材料的寻找与优化设计方兴未艾。由于二维材料往往具有大量的可能构型，过去的不断试错的实验研究方式在缺乏清晰指导的前提下成本太高，而通过与理论计算研究的有机互动可以在以下三个方面大大促进二维材料的研究进程：

1.理论计算可以促进新材料及新性质的预测；

2.理论计算可以预测新型二维材料的可能合成路径；

3.通过合理的模型设计，理论计算可为研究二维材料物理性质以及其对不同条件的响应提供了理想的平台。

截至目前理论研究已经产出了巨量的研究成果，亟需对该领域最近的进展、当前的挑战以及未来的机遇等进行系统性地总结和展望。

近日，清华大学清华-伯克利深圳学院（TBSI）低维材料与器件实验室成会明院士、邹小龙教授团队受邀在知名综述期刊Materials Today上发表了题为《Computational design and property predictions for two-dimensional nanostructures》的综述性学术论文。该综述从以硼烯为代表的二维材料的结构和生长路径预测出发，阐述理论计算对预测新材料和其生长路径的促进作用。针对二维结构多种奇特物理性质，系统性地总结了近年来二维材料设计和性质预测的重要成果，包括：二维狄拉克材料、高迁移率二维材料、二维半导体及其异质结、二维铁电、铁弹和压电材料、二维磁性材料以及二维材料的缺陷对其结构和性质的影响。文章进一步探讨了这些具有奇异性质的二维材料在电子、光电子、传感、电致形变以及自旋电子器件中的应用前景。最后，在此基础之上该文章总结了该领域目前的趋势和对未来发展的展望。

【图文简介】

图1：综述总览图。二维材料的计算设计和性质预测

图2：二维材料的带隙

图3：二维材料的能带对齐和压电系数

表1：二维铁电和铁弹材料的性质

【总结与展望】

虽然理论计算取得了巨大的成功，并且其预测准确度也得到不少实验的验证，但是在未来的发展上仍面临一些重大挑战：

1.需要开发以有效的功能为导向的反向设计方法；

2.对理论预测的结果需要更严格的结构稳定判定以及更全面的势能面分析得出可能的合成路径；

3.针对近年来理论计算形成了庞大的数据库，需要开发高效的高通量计算和机器学习算法以促进二维材料的设计和优化。

该综述论文第一作者是清华-伯克利深圳学院（TBSI）2017级博士生徐润章，论文通讯作者为成会明院士和邹小龙教授。论文作者还包括刘碧录教授。

相关工作得到了中组部青年“千人计划”、深圳市科创委、深圳市发改委等部门的支持。

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

【研究团队简介】

清华-伯克利深圳学院“低维材料与器件实验室”(The Low Dimensional Materials and Devices Laboratory)主要从事低维材料的理论设计、可控生长及其在电子和能源器件领域的应用。本实验室以成会明院士为实验室主任，目前有4位PI（包括成会明教授、刘碧录研究员，邹小龙研究员、丘陵研究员）。

本文由清华大学清华-伯克利深圳学院（TBSI）成会明、邹小龙团队供稿，材料牛编辑整理。

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