深圳研究生院潘锋课题组基于图论建立低维材料的筛选方法并发现系列一维材料

近日，北京大学深圳研究生院新材料学院潘锋课题组在《国家科学评论》发表了研究论文，提出了一套自主创新的基于化学图论的图同构比对方法，成功从已知晶体结构数据库中筛选出潜在的二维、一维和零维材料并对其进行拓扑结构分类。该分类结果可以用于挖掘不同结构之间以及结构与性质之间的关联关系，为低维材料特别是一维材料的开发提供了一条值得探索的途径。

　　

近日，北京大学深圳研究生院新材料学院潘锋课题组在《国家科学评论》（National Science Review）发表了题为“Graph-based discovery and analysis of atomic-scale one-dimensional materials”的研究论文。该研究提出了一套自主创新的基于化学图论的图同构比对方法（Sci China Chem, 2019,doi/10.1007/s11426-019-9502-5），成功从已知晶体结构数据库中筛选出潜在的二维、一维和零维材料并对其进行拓扑结构分类。该分类结果可以用于挖掘不同结构之间以及结构与性质之间的关联关系，为低维材料特别是一维材料的开发提供了一条值得探索的途径。

在材料的化学图论研究方法中，原子被定义为点，而相邻原子的连接关系被定义为边。通过数学图论中的图同构比对方法，可以对材料结构进行分类，分类结果可以反映出不同结构的拓扑特征。相比于体相材料，低维材料的结构对称性往往较低，且原子间的键长容易波动从而导致对称性破缺，这使得传统的基于对称性的分类方法难以提供有效的结构信息，无法为材料性质的预测提供帮助。这种情况在一维材料中尤为显著，因而制约了其发展。由于一维材料在未来晶体管设计中的应用价值，探讨一维材料的结构特征及其与物理化学性质之间的关联成为了目前亟待解决的课题。而基于化学图论的分类方法正是处理这一困难的重要手段。

研究团队首先基于化学图论对已知晶体结构数据库中的材料构建出结构图，确定各个材料中的联通结构单元并对其进行维度分类，从而得到一系列二维、一维和零维材料。筛选得到的一维材料共有244种，其中半数拥有低于或接近传统二维材料的理论剥离能，意味着这些材料易于在实验中制备。根据图同构比对算法，进一步对三种维度的材料分别进行结构分类。针对一维材料，通过对材料数最多的6种类别进行详细分析，发现结构图可以反映出材料中的成键特性和原子尺寸效应，因而同一类别的材料拥有相似性质。通过对二维材料和一维材料之间的子图同构比对，发现部分一维结构类型可以直接从二维结构中切割出来；进一步根据第一性原理计算，揭示了s轨道孤对电子的边界钝化机理，这可以为低维材料的维度调控提供新的思路。

图论分类得到的常见一维材料结构类型

研究团队还根据阳离子配位多面体结构基元所构成的结构图，提出了阳离子渗流网络的概念。该渗流网络中，阳离子配位多面体之间紧密堆积并构成了贯穿材料的联通网络。通过统计发现，结构中存在阳离子渗流网络的二维材料与一维材料均拥有更窄的电子带隙，且一维材料导体较依赖于阳离子渗流网络的出现。该结果表明，通过元素、维度以及拓扑结构特征的优化，可以有效实现低维材料的电子结构调控，从而开发出微型电子器件中所需的导体、半导体和绝缘体材料。

低维材料中的阳离子渗流网络与电子结构之间的关联

北京大学深圳研究生院新材料学院副研究员李舜宁、博士生陈哲峰、硕士毕业生王志、博士毕业生翁谋毅为该论文的共同第一作者，潘锋教授为通讯作者。该研究得到了广东省软科学研究计划项目、化学与精细化工广东省实验室、深圳市科技计划以及广东省基础和应用基础研究基金的支持。