新材料潘鋒課題組基于圖論建立低維材料的篩選方法并發(fā)現(xiàn)系列一維材料
近日，北京大學(xué)深圳研究生院新材料學(xué)院潘鋒課題組在《國(guó)家科學(xué)評(píng)論》（National Science Review）發(fā)表了題為“Graph-based discovery and analysis of atomic-scale one-dimensional materials”的研究論文。該研究提出了一套自主創(chuàng)新的基于化學(xué)圖論的圖同構(gòu)比對(duì)方法（Sci China Chem, 2019, ?doi /10.1007/s11426-019-9502-5），成功從已知晶體結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫(kù)中篩選出潛在的二維、一維和零維材料并對(duì)其進(jìn)行拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分類。該分類結(jié)果可以用于挖掘不同結(jié)構(gòu)之間、以及結(jié)構(gòu)與性質(zhì)之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，為低維材料特別是一維材料的開發(fā)提供了一條值得探索的途徑。
在材料的化學(xué)圖論研究方法中，原子被定義為點(diǎn)，而相鄰原子的連接關(guān)系被定義為邊。通過數(shù)學(xué)圖論中的圖同構(gòu)比對(duì)方法，可以對(duì)材料結(jié)構(gòu)進(jìn)行分類，分類結(jié)果可以反映出不同結(jié)構(gòu)的拓?fù)涮卣?。相比于體相材料，低維材料的結(jié)構(gòu)對(duì)稱性往往較低，且原子間的鍵長(zhǎng)容易波動(dòng)從而導(dǎo)致對(duì)稱性破缺，這使得傳統(tǒng)的基于對(duì)稱性的分類方法難以提供有效的結(jié)構(gòu)信息，無(wú)法為材料性質(zhì)的預(yù)測(cè)提供幫助。這種情況在一維材料中尤為顯著，因而制約了其發(fā)展。由于一維材料在未來晶體管設(shè)計(jì)中的應(yīng)用價(jià)值，探討一維材料的結(jié)構(gòu)特征及其與物理化學(xué)性質(zhì)之間的關(guān)聯(lián)成為了目前亟待解決的課題。而基于化學(xué)圖論的分類方法正是處理這一困難的重要手段。
研究團(tuán)隊(duì)首先基于化學(xué)圖論對(duì)已知晶體結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫(kù)中的材料構(gòu)建出結(jié)構(gòu)圖，確定各個(gè)材料中的聯(lián)通結(jié)構(gòu)單元并對(duì)其進(jìn)行維度分類，從而得到一系列二維、一維和零維材料。篩選得到的一維材料共有244種，其中半數(shù)擁有低于或接近傳統(tǒng)二維材料的理論剝離能，意味著這些材料易于在實(shí)驗(yàn)中制備。根據(jù)圖同構(gòu)比對(duì)算法，進(jìn)一步對(duì)三種維度的材料分別進(jìn)行結(jié)構(gòu)分類。針對(duì)一維材料，通過對(duì)材料數(shù)最多的6種類別進(jìn)行詳細(xì)分析，發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)圖可以反映出材料中的成鍵特性和原子尺寸效應(yīng)，因而同一類別的材料擁有相似性質(zhì)。通過對(duì)二維材料和一維材料之間的子圖同構(gòu)比對(duì)，發(fā)現(xiàn)部分一維結(jié)構(gòu)類型可以直接從二維結(jié)構(gòu)中切割出來。進(jìn)一步根據(jù)第一性原理計(jì)算，揭示了s軌道孤對(duì)電子的邊界鈍化機(jī)理，這可以為低維材料的維度調(diào)控提供新的思路。
圖論分類得到的常見一維材料結(jié)構(gòu)類型
研究團(tuán)隊(duì)還根據(jù)陽(yáng)離子配位多面體結(jié)構(gòu)基元所構(gòu)成的結(jié)構(gòu)圖，提出了陽(yáng)離子滲流網(wǎng)絡(luò)的概念。該滲流網(wǎng)絡(luò)中，陽(yáng)離子配位多面體之間緊密堆積并構(gòu)成了貫穿材料的聯(lián)通網(wǎng)絡(luò)。通過統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，結(jié)構(gòu)中存在陽(yáng)離子滲流網(wǎng)絡(luò)的二維材料與一維材料均擁有更窄的電子帶隙，且一維材料導(dǎo)體較依賴于陽(yáng)離子滲流網(wǎng)絡(luò)的出現(xiàn)。該結(jié)果表明，通過元素、維度以及拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)特征的優(yōu)化，可以有效實(shí)現(xiàn)低維材料的電子結(jié)構(gòu)調(diào)控，從而開發(fā)出微型電子器件中所需的導(dǎo)體、半導(dǎo)體和絕緣體材料。
低維材料中的陽(yáng)離子滲流網(wǎng)絡(luò)與電子結(jié)構(gòu)之間的關(guān)聯(lián)
北京大學(xué)深圳研究生院新材料學(xué)院李舜寧副研究員、博士生陳哲峰、碩士畢業(yè)生王志、博士畢業(yè)生翁謀毅為該論文的共同第一作者，潘鋒教授為通訊作者。該研究得到了廣東省軟科學(xué)研究計(jì)劃項(xiàng)目、化學(xué)與精細(xì)化工廣東省實(shí)驗(yàn)室、深圳市科技計(jì)劃以及廣東省基礎(chǔ)和應(yīng)用基礎(chǔ)研究基金的支持。
鏈接 https://doi.org/10.1093/nsr/nwac028
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