固體層狀材料由二維或準二維層狀基元沿某一個方向堆垛而成，根據基元層間互相作用類型可以分為範德華層狀材料和離子型層狀材料。範德華層狀材料是由電中性二維基元堆垛而成，且由于層間堆垛方式、轉角等不同可以展現出一系列新奇物性。最近五六年，研究人員在二維範德華層狀材料資料庫建構方面已經取得了重要進展，極大促進了相關領域發展。與之相比，離子型層狀材料由帶正和負電荷的二維基元堆垛而成，例如鐵基超導體LaOFeAs由帶正電[La2O2]2+和帶負電[Fe2As2]2-層狀基元交錯排列而成。這些帶電的離子型基元通常分為兩類，物性決定層(如[Fe2As2]2-層)和載流子庫層(如[La2O2]2+層)。選擇特定的功能層和載流子庫層可以實作功能導向性的材料設計和物性調控。由于離子層選擇的多樣性，不同的層間電子結構耦合、電荷轉移等有望催生出範德華層狀材料不具備的新奇物性和卓越性能。然而，目前離子層狀基元缺乏高效率的全局篩選方案，阻礙了高性能、新物性離子層狀材料的設計和構築。
圖一：由帶電基元建構功能材料的示意圖和帶電離子型層狀基元的統計
中國科學院實體研究所/北京凝聚态實體國家研究中心杜世萱研究團隊長期緻力于理論預測新型低維材料結構、表界面性質等，并提示其構效關系、規律。該團隊近年來利用多尺度計算模拟方法預測了一系列具有高遷移率[J. Phys. Chem. Lett. 12, 6007 (2021)]、拓撲和超導[NPJ Comput. Mater. 8, 185 (2022)]、磁性[NPJ Comput. Mater. 6, 152 (2020), Nano Lett. 22, 3598 (2022) , NPJ Comput. Mater. 9, 50 (2023)]等物性的低維材料，建構了二維材料界面資料庫[Chin. Phys. Lett., 38, 066801 (2021)]等。
圖二：離子型層狀材料的設計工作流程
最近，杜世萱研究員團隊利用拓撲縮放算法(topological scaling algorithm)對現有Materials Project材料資料庫中帶電二維基元進行了識别，并建構了二維離子型基中繼資料庫。他們對該資料庫中的基元進行了晶系、結構原型等方面進行了分類，并初步确定了部分基元的功能性，如超導電性、磁性、拓撲等物性。随後，他們搭建了系統建構層狀結構的流程，利用資料庫中四方、六方、三方基元，考慮價态和晶格比對原則，建構了3000餘種不含f電子的層狀結構，并對這些結構的穩定性進行了評估。通過凸包分析和聲子譜計算，确定了熱力學和動力學穩定、原胞尺寸較小的353個在實驗上最有潛力合成的結構。
圖三：新發現的353個層狀材料統計和部分結構原型
他們以幾個例子展示了基于該材料資料庫的在新材料、新物性發現方面的應用。在磁性材料方面，發現Na2CuIO6是雙極鐵磁性半導體，在自旋閥、自旋過濾等自旋電子學方面有潛在應用；同時由于體系缺乏中心反演對稱性，該結構還具有谷極化特性，能夠産生反常谷霍爾效應；需要強調的是，以上兩種物性是其母體材料KCuIO6不具備的。在超導材料方面，發現CaAlSiF具有比其母體材料NaAlSi更高超導轉變溫度的超導電性。在拓撲材料方面，發現LaRhGeO在考慮自旋軌道耦合後，Γ點處Rh的xy和xz/yz軌道發生了能帶翻轉，使體系進入拓撲非平庸态。
圖四：Na2CuIO的雙極鐵磁半導體性以及反常谷霍爾效應
離子層狀基中繼資料庫的建立有助于多功能材料的建構，例如堆垛多種功能基元形成多層材料，其功能基元之間的協同效應産生的湧現現象值得進一步研究。此外，該方法可以推廣到一維和零維基元，堆垛這些基元可以豐富新功能材料的設計空間。目前，該研究産生的基中繼資料庫和新結構可以在課題組首頁進行通路和查閱[http://n11.iphy.ac.cn/databases/index.html]。
圖五：CaAlSiF的超導電性和LaRhGeO的非平庸能帶拓撲
以上工作以"Database Construction of Two-Dimensional Charged Building Blocks for Functional-Oriented Material Design"為題發表于Nano Lett. 23, 4634 (2023)，博士後鄧俊為第一作者，杜世萱研究員為通訊作者，其他作者包括潘金波副研究員和中國科學院大學博士後張豔芳。該工作得到了國家自然科學基金(61888102, 52272172, 52102193)，國家重點研發計劃(2021YFA1201501)，科技部重點研發項目(2022YFA1204100)和中科院B類先導專項(XDB30000000)等項目的支援。
編輯：Childe