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研究人员为加速二维材料（2D）研究，设计工作流程计算 3504 种 2D 材料拉曼光谱，为相关研究提供重要参考。
# 解锁二维材料的光谱密码：拉曼光谱高通量计算研究解读
在材料科学的奇妙世界里，二维材料（Atomically thin two - dimensional, 2D）宛如一颗璀璨的新星，闪耀着独特的光芒。它们凭借高载流子迁移率、可调节带隙、大比表面积以及原子级厚度等诸多优异特性，在电子学、光电子学、传感器和柔性器件等领域展现出巨大的应用潜力。目前，虽然已有超过六十种化合物被成功制备成单原子层的二维材料，像广为人知的半导体过渡金属二硫族化合物（TMDCs）、磷烯，绝缘体氮化镓（GaN）、氮化硼（BN），还有半金属和金属类的石墨烯、硅烯、硼烯等。但这仅仅是冰山一角，据预测，从已知的层状块状晶体中可剥离出，或通过化学气相沉积、分子束外延等实验手段直接合成的二维材料单原子层可能超过 6000 种。
然而，要将这些潜在的二维材料应用于实际，首先得解决材料制备和结构表征的问题。就好比要开启一扇宝藏之门，得先找到正确的钥匙。拉曼光谱（Raman spectroscopy）技术便是这样一把重要的 “钥匙”，它能通过非弹性散射光探测分子和晶体的振动模式，就像给每种材料赋予了独一无二的 “指纹”，借此可以快速表征材料的化学成分、层厚度、层间耦合、应变、晶体对称性以及样品质量等诸多特征。但计算拉曼光谱的理论方法和数值算法发展耗时长久，尽管基于全量子力学处理的从头算计算方案已能成功计算分子和固体的拉曼光谱，且计算结果与实验测量光谱吻合度良好，不过实验测量拉曼光谱存在成本高、效率低等问题。因此，构建一个涵盖不同晶体结构和化学成分的二维材料拉曼光谱综合数据库迫在眉睫，这也正是本次研究的重要出发点。
中国科学技术大学精密与智能化学重点实验室、中国科学院赣江创新研究院稀土重点实验室等多个研究机构的研究人员 Geng Li、Yingxiang Gao、Daiyou Xie 等共同开展了此项研究。他们设计了一种高效的从头算高通量工作流程，用于计算二维材料单原子层的拉曼光谱，相关成果发表在《Scientific Data》上。这一研究成果意义非凡，为二维材料领域的实验人员和理论研究人员提供了宝贵的参考，也朝着材料自主（原位）表征的方向迈出了重要一步。
研究的技术方法
研究人员采用的核心计算方法是基于全电子密度泛函微扰理论（DFPT），并在 FHI - aims 软件中得以实现，该软件使用了局域原子轨道（LCAO）基组。二维材料的初始单原子层结构数据来源于 2D Materials Encyclopedia（2DMatPedia）数据库。整个计算过程被巧妙地分为四个主要步骤：首先从数据库获取材料结构数据并转换格式；接着对所有材料结构进行优化，对于原子数超过 15 的结构进行拆分以并行计算，从而大幅缩短计算时间；然后运用 FHI - aims 通过有限差分法计算谐波拉曼光谱；最后汇总数据并上传至云数据库。此外，研究还确定了 k 点密度和真空间距，采用 Tkatchenko - Scheffler 方法计算范德华（vdW）修正，计算中包含了标量相对论处理和原子零阶正则近似（ZORA） ，并设置了各类收敛公差。
研究结果
- 计算数据记录：最终的数据库包含了丰富的信息，如几何数据、拉曼频率和强度等。这些数据分别存储在不同文件中，方便用户从 Materials Cloud Archive 直接下载，也可在 Computational Raman Database 网站在线浏览。
- 技术验证：研究人员将计算结果与 12 种不同材料的实验拉曼光谱进行对比验证。结果显示，计算结果与实验测量存在一定差异。这主要是因为当前计算方法仅考虑了谐波振动，未考虑非谐波效应、基底影响和激子效应等。同时，实验测量条件也会造成这种差异，例如实验中常用的角分辨拉曼光谱与计算的理论原理不同，特定的散射角度和激发频率等实验条件可能导致某些拉曼峰无法被检测到。研究人员还对整个数据库进行了综合分析，推导了二元材料拉曼位移的物理描述符，并在补充信息中讨论了角分辨偏振拉曼光谱。此外，研究人员还将自己的结果与其他文献进行对比，指出了计算方法上的差异。
研究结论与讨论
这项研究成功设计并运用高效的高通量工作流程，完成了 3504 种二维材料的拉曼光谱计算，构建了涵盖多种数据的数据库。尽管计算结果与实验测量存在差异，但研究人员已明确问题所在，并计划在后续数据库迭代中纳入非谐波效应，进行高精度计算。该研究成果不仅为实验和理论研究提供了重要数据支持，还为通过机器学习降低拉曼光谱计算成本奠定了基础，同时开源的计算工作流程程序也将助力其他研究人员开展高通量计算工作，在二维材料的探索与应用道路上，照亮了前行的方向。
