隨著石墨烯熱的持續，人們對類似的二維結構也產生了越來越濃厚的興趣。由於其獨特的光學、機械和電子性質，類石墨烯的二維材料在催化、光電轉換、能量儲存和轉換等領域顯示出優異的應用前景。實驗和理論研究大多集中於層狀材料的的剝離，而伴隨著近年來的廣泛研究，厚度僅僅有幾個原子層的二維材料幾乎可以從每個層狀結構中獲得，這就使得二維材料整個家族的種類已經十分完備，常見的材料有過渡金屬二硫化物系列、黑磷、金屬碳化物或氮化物(MXenes)等，幾乎很難再發現類似石墨烯的新材料家族。此外，從實驗的角度來設計材料組分通常需要詳細的化學合成步驟和表徵技術，如X射線衍射、高分辨透射電子顯微鏡、拉曼光譜和掃描隧道顯微鏡等，這需要耗費大量的時間和財力，對批量的候選材料進行系統的研究也顯得十分困難。

針對上述科學問題，中國地質大學已畢業學生羅炳程、數理學院在讀碩士研究生姚遠、田恩科副研究員及其他合作者，採用基於密度泛函理論的第一性原理計算方法，通過設計材料組成和結構並模擬和預測材料的性質，報道了二維石墨烯狀單層一氧化物和一氯化物的嶄新的二維材料家族。研究取得的創新性認識如下：

1、針對具有岩鹽結構的非層狀的體材料，例如一氧化物（氧化鈹、氧化鎂、氧化鈣、氧化鍶、氧化鋇）和一氯化物（氯化鋰和氯化鈉等），通過材料設計和第一性原理計算，可以獲得其具有類似石墨烯的單原子層的二維材料；

2、採用應力工程的方法可以消除二維單層材料聲子譜的虛頻而在晶格動力學上變得穩定；

3、將上述策略應用在非層狀過渡金屬元素基的材料中，成功設計和發現了對具有類似石墨烯的單原子層的二維氧化物、氮化物、氯化物和硒化物；

4、這些二維石墨烯狀的單層材料由於其較強的原子雜化和電子離域化特點而表現出了優異的的化學穩定性、熱學穩定性、動力學穩定性及機械穩定性。

該研究將促進二維材料家族的的不斷髮展，並將二維材料從層狀結構獲得擴充套件到從非層狀結構獲得的新方向。

圖1：二維石墨烯狀單層一氧化物和一氯化物的晶格結構和模擬的掃描隧道顯微鏡影象

圖2：二維石墨烯狀單層一氧化物和一氯化物的晶格動力學分析

圖3：二維石墨烯狀單層一氧化物和一氯化物的分子動力學模擬

圖4：二維石墨烯狀單層一氧化物和一氯化物的能帶結構和態密度分析

上述研究成果發表在國際頂級學術期刊《Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America》（PNAS）上：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]

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https://doi.org/10.1073/pnas.1906510116