二维(2D)材料具有非凡的特性。它们通常由只有几纳米厚的原子层组成，例如特别擅长导热和导电。令许多科学家惊讶的是，最近人们知道二维材料也可以基于某些金属氧化物而存在。这些氧化物在纳米电子应用等领域引起了极大的兴趣。由Helmholtz-ZentrumDresden-Rossendorf(HZDR)领导的德裔美国人研究小组现在已经成功地通过使用数据驱动的方法预测了这类新材料的28个代表。

传统的二维材料(例如石墨烯)与可以由金属氧化物(例如钛铁矿和铬铁矿)合成的新型材料之间存在很大差异。后者在其晶体结构中不会形成弱相互作用——即所谓的范德华力——而是形成指向各个方向的更强的离子键。出于这个原因，迄今为止只有少数实验成功地将新型2D材料从3D材料块中分离出来。该研究的结果现在可以在这种类型的进一步实验中取得成功。科学家们使用理论方法预测哪些化合物实际上值得进行实验研究。

“通过我们的数据驱动方法，我们以最初实验的第一个可用信息为基础。根据这些信息，我们开发了结构原型，然后通过一个巨大的材料数据库作为过滤标准运行它们，”该研究的负责人博士解释说.来自HZDR离子束物理与材料研究所的RicoFriedrich。“主要的挑战是弄清楚为什么这些材料很容易与特定的氧化物形成二维系统。根据这些信息，我们能够开发出有效的通用搜索标准，并可以根据它们的特性系统地表征已识别的候选物。”

为此，研究人员主要应用了所谓的“密度泛函理论”，这是一种实用的电子结构计算方法，广泛用于量子化学和凝聚态物理学。他们与几个德国高性能数据中心合作完成必要的计算阶段。决定性因素是确定剥离能量：这定义了从材料表面去除2D层必须消耗多少能量。

具有大约350万条条目的材料数据库

该研究还利用了AFLOW材料数据库(材料发现的自动流程)。它由美国杜克大学的StefanoCurtarolo教授开发了二十多年，他也是该研究的作者。AFLOW被认为是最大的材料科学数据库之一，对大约350万种化合物进行分类，计算出的材料特性超过7亿种。

连同相关软件，该数据库最终不仅为研究人员提供了28种二维材料的化学成分，还使他们能够研究它们在电子、磁性和拓扑方面的卓越特性。根据RicoFriedrich的说法，它们特定的磁性表面结构可以使它们对自旋电子应用特别有吸引力，例如计算机和智能手机中的数据存储。

“我确信我们可以找到更多此类二维材料，”德累斯顿物理学家说，展望未来。“如果有足够多的候选人，甚至可以创建一个专门针对这类新材料的专用数据库。”HZDR的科学家们与德累斯顿工业大学与主题相关的合作研究中心(Sonderforschungsbereich)的同事以及美国合成新型二维系统的领先研究小组保持密切联系。他们计划与双方合作进一步研究最有前途的化合物。