罗炳程：二维石墨烯状单层一氧化物和一氯化物

来源：中国地质大学-科研

随着石墨烯热的持续，人们对类似的二维结构也产生了越来越浓厚的兴趣。由于其独特的光学、机械和电子性质，类石墨烯的二维材料在催化、光电转换、能量储存和转换等领域显示出优异的应用前景。实验和理论研究大多集中于层状材料的的剥离，而伴随着近年来的广泛研究，厚度仅仅有几个原子层的二维材料几乎可以从每个层状结构中获得，这就使得二维材料整个家族的种类已经十分完备，常见的材料有过渡金属二硫化物系列、黑磷、金属碳化物或氮化物(MXenes)等，几乎很难再发现类似石墨烯的新材料家族。此外，从实验的角度来设计材料组分通常需要详细的化学合成步骤和表征技术，如X射线衍射、高分辨透射电子显微镜、拉曼光谱和扫描隧道显微镜等，这需要耗费大量的时间和财力，对批量的候选材料进行系统的研究也显得十分困难。

针对上述科学问题，我校已毕业学生罗炳程、数理学院在读硕士研究生姚远、田恩科副研究员及其他合作者，采用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法，通过设计材料组成和结构并模拟和预测材料的性质，报道了二维石墨烯状单层一氧化物和一氯化物的崭新的二维材料家族。研究取得的创新性认识如下：

1、针对具有岩盐结构的非层状的体材料，例如一氧化物（氧化铍、氧化镁、氧化钙、氧化锶、氧化钡）和一氯化物（氯化锂和氯化钠等），通过材料设计和第一性原理计算，可以获得其具有类似石墨烯的单原子层的二维材料；

2、采用应力工程的方法可以消除二维单层材料声子谱的虚频而在晶格动力学上变得稳定；

3、将上述策略应用在非层状过渡金属元素基的材料中，成功设计和发现了对具有类似石墨烯的单原子层的二维氧化物、氮化物、氯化物和硒化物；

4、这些二维石墨烯状的单层材料由于其较强的原子杂化和电子离域化特点而表现出了优异的的化学稳定性、热学稳定性、动力学稳定性及机械稳定性。

该研究将促进二维材料家族的的不断发展，并将二维材料从层状结构获得扩展到从非层状结构获得的新方向。

图1：二维石墨烯状单层一氧化物和一氯化物的晶格结构和模拟的扫描隧道显微镜图像

图2：二维石墨烯状单层一氧化物和一氯化物的晶格动力学分析

图3：二维石墨烯状单层一氧化物和一氯化物的分子动力学模拟

图4：二维石墨烯状单层一氧化物和一氯化物的能带结构和态密度分析

上述研究成果发表在国际顶级学术期刊《Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America》：Bingcheng Luo*, Yuan Yao, Enke Tian*, Hongzhou Song, Xiaohui Wang, Guowu Li, Kai Xi, Baiwen Li, Haifeng Song, and Longtu Li. Graphene-like monolayer monoxides and monochlorides. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 2019 116 (35) 17213-17218. [IF2018=9.58]

全文链接：https://doi.org/10.1073/pnas.1906510116