发现一些很好用的二维材料数据库

从 2004 年石墨烯（graphene） 被 A. K. Geim 和 K. S. Novoselov发现到现在短短二十年间，二维材料便已成为了科研界乃至企业界的研究焦点。二维材料是一种可以单原子层形式稳定存在的晶体，它们在一个平面上表现为以共价键结合的完美晶体结构，而在层与层之间以范德华力结合起来。

二维材料的研究热度一直高居不下，相关报道层出不穷，近年来二维材料已经渗入光电、射频、逻辑、存储、生物、传感、医疗等诸多领域，并在很多方向上都取得了瞩目的进展。究其原因，这与二维材料独特的材料属性有关。具体说了来其突出特点包括:

1.原子级厚度

2.弱层间相互作用，Z向无悬挂键

3.较强的外场（力、热、光、电场）与物质相互作用

4.大的比表面积、柔性、透明

5.丰富的二维材料库

基于特点1在集成电路领域可续命摩尔定律；基于特点2可以实现理想的异质界面，从而实现二维材料的高自由度组装，以及二维+X维组装；基于特点3可以实现各种高灵敏度的二维传感、探测器件；基于特点4可以用于催化、生物吸附、生物传感等相关器件和可穿戴应用；基于特点5，使得我们可以找到匹配我们不同需求的具备不同个性的二维材料，用于不同领域或者同一领域中不同功能部件。

01 二维材料的分类

根据元素组成和结构特征，二维材料可以分为以下几类：

石墨烯家族： 该组包括石墨烯（quintessential 2D material）及其相关衍生物，例如氧化石墨烯、氟石墨烯、石墨炔、BN等。石墨烯以其卓越的导电性、高导热性和卓越的机械强度而闻名。hBN 是一种具有优异导热性的宽带隙绝缘体，也叫“white graphene”。

硫属化物（TMDCs）：该组包括过渡金属硫属化物（TMDs）如钼二硫化物（MoS2）和钨二硫化物（WS2）。TMDs 具有可调的带隙，范围从绝缘体到半导体到金属，使其成为电子和光电子应用的吸引力。

二维氧化物： 该类别包含各种金属氧化物，钙钛矿型氧化物等。

其他二维材料： 该组包括各种其他二维材料，包括Xenes（该类别包括由单元素原子层组成的材料，例如硅烯、锗烯和锡烯）、二维钙钛矿、黑磷等。这些材料提供广泛的特性并具有各种应用潜力。

下图归纳了石墨烯族、 2D 硫属化合物、2D 氧化物族。蓝色背景标示的材料是已被证实能够在常温大气条件下稳定存在的；绿色标示的材料是可能可以在空气中保持稳定的；红色标示的材料是在空气中不能稳定存在但是可以在惰性氛围中稳定存在的；灰色标示的材料是三元化合物，它们已被成功剥离至单层，但是其特性研究还比较少。

这一丰富的二维材料库为我们提供了高度自由的材料选择方案，从零带隙的金属到大带隙的绝缘体，其可选的带隙范围从红外一直覆盖到紫外
示）。材料选择的多样性为构筑功能丰富的光电、 电子、传感器件提供了较大的设计空间 。

02  Materials Cloud二维材料的数据库

二维材料的种类正在不断扩展。目前数据库中收录了6351种材料，其中2940 种是通过对现有层状材料进行剥离（“自上而下”方法）获得的。3409 种是通过对二维材料进行化学替换（“自下而上”方法）获得的。

近年来有很多研究者在尝试对二维材料的数据库进行归纳和完善（这里先不展开，若要细说那就是另一篇文章了）。也有一些在线网站被推出以方便大家查询，Materials Cloud就推出了可在线查询的二维材料数据库 。

Materials Cloud 是一个用于计算材料科学的开放式平台，旨在促进材料数据和资源的共享和利用。它由一系列工具和服务组成，可帮助研究人员和工程师发现、分析和模拟材料数据。

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

进入网站后可以看到在材料数据库中，包含二维和三维晶体的数据库。

进入二维数据库后可以看到一个如下的界面。依次选择对应元素，这里橙色是我们选中的元素，蓝色是在橙色元素基础上还可选的元素。选择元素后对应材料数据库会出现在左侧供我们选择。

这里我们以MoS2为例，选择元素和数据库后点击进入，即可以看到MoS2的材料属性页面。

如下图所示，该数据页面列出了较为全面的MoS2材料信息，包括基本参数（能带、点群、磁性、结合能）、电子和声子的能带结构、晶格参数等。

此外还有一个交互式的声子振动和晶格模型，且均支持下载。

03  其他二维材料的数据库

除了 Materials Cloud还有一些其他的二维材料数据库。包括：

2D Materials Encyclopedia 数据库

链接：http://www.2dmatpedia.org/

该数据库由新加坡国立大学先进二维材料中心冯元平教授团队创建的。该数据库考虑了材料的制备方法，并以制备方法（自上而下剥离和自下而上化学替换）为主要分类依据对材料数据进行整理。

材料数据页包含晶格结构、能带结构等信息，且支持VASP input文件下载。

2.COMPUTATIONAL MATERIALS REPOSITORY数据库

链接：https://cmr.fysik.dtu.dk

COMPUTATIONAL MATERIALS REPOSITORY数据库包含不同的project和文献对应的子数据库。其包含很多基于python和ASE的文件和代码，对于做材料计算的小伙伴具有较大的参考意义。

参考资料：

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/