固体层状材料由⼆维或准⼆维层状基元沿某⼀个⽅向堆垛⽽成，根据基元层间相互作⽤类型可以分为范德华层状材料和离⼦型层状材料。范德华层状材料是由电中性⼆维基元堆垛⽽成，且由于层间堆垛⽅式、转⻆等不同可以展现出⼀系列新奇物性。最近五六年，研究⼈员在⼆维范德华层状材料数据库构建⽅⾯已经取得了重要进展，极⼤促进了相关领域发展。
与之相⽐，离⼦型层状材料由带正和负电荷的⼆维基元堆垛⽽成，例如铁基超导体LaOFeAs由带正电[La2O2]2+和带负电[Fe2As2]2-层状基元交错排列⽽成。这些带电的离⼦型基元通常分为两类，物性决定层(如[Fe2As2]2-层)和载流⼦库层(如[La2O2]2+层)。选择特定的功能层和载流⼦库层可以实现功能导向性的材料设计和物性调控。
由于离⼦层选择的多样性，不同的层间电⼦结构耦合、电荷转移等有望催⽣出范德华层状材料不具备的新奇物性和卓越性能。然⽽，⽬前离⼦层状基元缺乏⾼效率的全局筛选⽅案，阻碍了⾼性能、新物性离⼦层状材料的设计和构筑。中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中⼼杜世萱研究团队⻓期致⼒于理论预测新型低维材料结构、表界⾯性质等，并提示其构效关系、规律。
该团队近年来利⽤多尺度计算模拟⽅法预测了⼀系列具有⾼迁移率、拓扑和超导、磁性等物性的低维材料，构建了⼆维材料界⾯数据库等。最近，杜世萱研究员团队利⽤拓扑缩放算法(topological scaling algorithm)对现有Materials Project材料数据库中带电⼆维基元进⾏了识别，并构建了⼆维离⼦型基元数据库。
他们对该数据库中的基元进⾏了晶系、结构原型等⽅⾯进⾏了分类，并初步确定了部分基元的功能性，如超导电性、磁性、拓扑等物性。随后，他们搭建了系统构建层状结构的流程，利⽤数据库中四⽅、六⽅、三⽅基元，考虑价态和晶格匹配原则，构建了3000余种不含f电⼦的层状结构，并对这些结构的稳定性进⾏了评估。通过凸包分析和声⼦谱计算，确定了热⼒学和动⼒学稳定、原胞尺⼨较⼩的353个在实验上最有潜⼒合成的结构。
他们以⼏个例⼦展示了基于该材料数据库的在新材料、新物性发现⽅⾯的应⽤。在磁性材料⽅⾯，发现Na2CuIO6是双极铁磁性半导体，在⾃旋阀、⾃旋过滤等⾃旋电⼦学⽅⾯有潜在应⽤；同时由于体系缺乏中⼼反演对称性，该结构还具有⾕极化特性，能够产⽣反常⾕霍尔效应；需要强调的是，以上两种物性是其⺟体材料KCuIO6不具备的。
在超导材料⽅⾯，发现CaAlSiF具有⽐其⺟体材料NaAlSi更⾼超导转变温度的超导电性。在拓扑材料⽅⾯，发现LaRhGeO在考虑⾃旋轨道耦合后，Γ点处Rh的dxy和dxz/dyz轨道发⽣了能带翻转，使体系进⼊拓扑⾮平庸态。离⼦层状基元数据库的建⽴有助于多功能材料的构建，例如堆垛多种功能基元形成多层材料，其功能基元之间的协同效应产⽣的涌现现象值得进⼀步研究。
此外，该⽅法可以推⼴到⼀维和零维基元，堆垛这些基元可以丰富新功能材料的设计空间。⽬前，该研究产⽣的基元数据库和新结构可以在课题组主⻚进⾏访问和查阅。
以上⼯作以"Database Construction of Two-Dimensional Charged Building Blocks for Functional-Oriented Material Design"为题发表于Nano Lett. 23, 4634 (2023)，博⼠后邓俊为第⼀作者，杜世萱研究员为通讯作者，其他作者包括潘⾦波副研究员和中国科学院⼤学博⼠后张艳芳。
该⼯作得到了国家⾃然科学基⾦、国家重点研发计划、科技部重点研发项⽬和中科院B类先导专项等项⽬的⽀持。