發(fā)現(xiàn)一些很好用的二維材料數(shù)據(jù)庫

從 2004 年石墨烯（graphene） 被 A. K. Geim 和 K. S. Novoselov發(fā)現(xiàn)到現(xiàn)在短短二十年間，二維材料便已成為了科研界乃至企業(yè)界的研究焦點。二維材料是一種可以單原子層形式穩(wěn)定存在的晶體，它們在一個平面上表現(xiàn)為以共價鍵結(jié)合的完美晶體結(jié)構(gòu)，而在層與層之間以范德華力結(jié)合起來。

二維材料的研究熱度一直高居不下，相關(guān)報道層出不窮，近年來二維材料已經(jīng)滲入光電、射頻、邏輯、存儲、生物、傳感、醫(yī)療等諸多領(lǐng)域，并在很多方向上都取得了矚目的進展。究其原因，這與二維材料獨特的材料屬性有關(guān)。具體說了來其突出特點包括:

1.原子級厚度

2.弱層間相互作用，Z向無懸掛鍵

3.較強的外場（力、熱、光、電場）與物質(zhì)相互作用

4.大的比表面積、柔性、透明

5.豐富的二維材料庫

基于特點1在集成電路領(lǐng)域可續(xù)命摩爾定律；基于特點2可以實現(xiàn)理想的異質(zhì)界面，從而實現(xiàn)二維材料的高自由度組裝，以及二維+X維組裝；基于特點3可以實現(xiàn)各種高靈敏度的二維傳感、探測器件；基于特點4可以用于催化、生物吸附、生物傳感等相關(guān)器件和可穿戴應(yīng)用；基于特點5，使得我們可以找到匹配我們不同需求的具備不同個性的二維材料，用于不同領(lǐng)域或者同一領(lǐng)域中不同功能部件。

01 二維材料的分類

根據(jù)元素組成和結(jié)構(gòu)特征，二維材料可以分為以下幾類：

石墨烯家族： 該組包括石墨烯（quintessential 2D material）及其相關(guān)衍生物，例如氧化石墨烯、氟石墨烯、石墨炔、BN等。石墨烯以其卓越的導(dǎo)電性、高導(dǎo)熱性和卓越的機械強度而聞名。hBN 是一種具有優(yōu)異導(dǎo)熱性的寬帶隙絕緣體，也叫“white graphene”。

硫?qū)倩铮═MDCs）：該組包括過渡金屬硫?qū)倩铮═MDs）如鉬二硫化物（MoS2）和鎢二硫化物（WS2）。TMDs 具有可調(diào)的帶隙，范圍從絕緣體到半導(dǎo)體到金屬，使其成為電子和光電子應(yīng)用的吸引力。

二維氧化物： 該類別包含各種金屬氧化物，鈣鈦礦型氧化物等。

其他二維材料： 該組包括各種其他二維材料，包括Xenes（該類別包括由單元素原子層組成的材料，例如硅烯、鍺烯和錫烯）、二維鈣鈦礦、黑磷等。這些材料提供廣泛的特性并具有各種應(yīng)用潛力。

下圖歸納了石墨烯族、 2D 硫?qū)倩衔铩?D 氧化物族。藍色背景標示的材料是已被證實能夠在常溫大氣條件下穩(wěn)定存在的；綠色標示的材料是可能可以在空氣中保持穩(wěn)定的；紅色標示的材料是在空氣中不能穩(wěn)定存在但是可以在惰性氛圍中穩(wěn)定存在的；灰色標示的材料是三元化合物，它們已被成功剝離至單層，但是其特性研究還比較少。

這一豐富的二維材料庫為我們提供了高度自由的材料選擇方案，從零帶隙的金屬到大帶隙的絕緣體，其可選的帶隙范圍從紅外一直覆蓋到紫外
示）。材料選擇的多樣性為構(gòu)筑功能豐富的光電、 電子、傳感器件提供了較大的設(shè)計空間 。

02? Materials Cloud二維材料的數(shù)據(jù)庫

二維材料的種類正在不斷擴展。目前數(shù)據(jù)庫中收錄了6351種材料，其中2940 種是通過對現(xiàn)有層狀材料進行剝離（“自上而下”方法）獲得的。3409 種是通過對二維材料進行化學(xué)替換（“自下而上”方法）獲得的。

近年來有很多研究者在嘗試對二維材料的數(shù)據(jù)庫進行歸納和完善（這里先不展開，若要細說那就是另一篇文章了）。也有一些在線網(wǎng)站被推出以方便大家查詢，Materials Cloud就推出了可在線查詢的二維材料數(shù)據(jù)庫 。

Materials Cloud 是一個用于計算材料科學(xué)的開放式平臺，旨在促進材料數(shù)據(jù)和資源的共享和利用。它由一系列工具和服務(wù)組成，可幫助研究人員和工程師發(fā)現(xiàn)、分析和模擬材料數(shù)據(jù)。

鏈接：https://www.materialscloud.org/discover/menu

進入網(wǎng)站后可以看到在材料數(shù)據(jù)庫中，包含二維和三維晶體的數(shù)據(jù)庫。

進入二維數(shù)據(jù)庫后可以看到一個如下的界面。依次選擇對應(yīng)元素，這里橙色是我們選中的元素，藍色是在橙色元素基礎(chǔ)上還可選的元素。選擇元素后對應(yīng)材料數(shù)據(jù)庫會出現(xiàn)在左側(cè)供我們選擇。

這里我們以MoS2為例，選擇元素和數(shù)據(jù)庫后點擊進入，即可以看到MoS2的材料屬性頁面。

如下圖所示，該數(shù)據(jù)頁面列出了較為全面的MoS2材料信息，包括基本參數(shù)（能帶、點群、磁性、結(jié)合能）、電子和聲子的能帶結(jié)構(gòu)、晶格參數(shù)等。

此外還有一個交互式的聲子振動和晶格模型，且均支持下載。

03? 其他二維材料的數(shù)據(jù)庫

除了 Materials Cloud還有一些其他的二維材料數(shù)據(jù)庫。包括：

2D Materials Encyclopedia 數(shù)據(jù)庫

鏈接：http://www.2dmatpedia.org/

該數(shù)據(jù)庫由新加坡國立大學(xué)先進二維材料中心馮元平教授團隊創(chuàng)建的。該數(shù)據(jù)庫考慮了材料的制備方法，并以制備方法（自上而下剝離和自下而上化學(xué)替換）為主要分類依據(jù)對材料數(shù)據(jù)進行整理。

材料數(shù)據(jù)頁包含晶格結(jié)構(gòu)、能帶結(jié)構(gòu)等信息，且支持VASP input文件下載。

2.COMPUTATIONAL MATERIALS REPOSITORY數(shù)據(jù)庫

鏈接：https://cmr.fysik.dtu.dk

COMPUTATIONAL MATERIALS REPOSITORY數(shù)據(jù)庫包含不同的project和文獻對應(yīng)的子數(shù)據(jù)庫。其包含很多基于python和ASE的文件和代碼，對于做材料計算的小伙伴具有較大的參考意義。

參考資料：

1. Geim, A.K. and I.V. Grigorieva, Van der Waals heterostructures. Nature, 2013. 499 (7459): p.419-425.
2. Chaves, A., et al., Bandgap engineering of two-dimensional semiconductor materials. npj 2D Mater. and Appl., 2020. 4 (1): p. 29

3.https://www.materialscloud.org/discover/mc2d/details/MoS2-MoS2

4.https://cmr.fysik.dtu.dk

5.http://www.2dmatpedia.org/