Predicting Van der Waals Heterostructures by a Combined Machine Learning and Density Functional Theory Approach

范德瓦尔斯力 异质结 材料科学 单层 密度泛函理论 带隙 超晶格 电子结构 纳米技术 凝聚态物理 物理 分子 光电子学 量子力学
作者
Daniel Willhelm,Nathan M. Wilson,Raymundo Arróyave,Xiaoning Qian,Tahir Çağın,Ruth Pachter,Xiaofeng Qian
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:14 (22): 25907-25919 被引量:8
标识
DOI:10.1021/acsami.2c04403
摘要

Van der Waals (vdW) heterostructures are constructed by different two-dimensional (2D) monolayers vertically stacked and weakly coupled by van der Waals interactions. VdW heterostructures often possess rich physical and chemical properties that are unique to their constituent monolayers. As many 2D materials have been recently identified, the combinatorial configuration space of vdW-stacked heterostructures grows exceedingly large, making it difficult to explore through traditional experimental or computational approaches in a trial-and-error manner. Here, we present a computational framework that combines first-principles electronic structure calculations, 2D material database, and supervised machine learning methods to construct efficient data-driven models capable of predicting electronic and structural properties of vdW heterostructures from their constituent monolayer properties. We apply this approach to predict the band gap, band edges, interlayer distance, and interlayer binding energy of vdW heterostructures. Our data-driven model will open avenues for efficient screening and discovery of low-dimensional vdW heterostructures and moiré superlattices with desired electronic and optical properties for targeted device applications.
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