研究背景：
在材料科学的研究中，热膨胀系数的调控对于电子设备的设计和应用至关重要。随着纳米尺度电子器件的迅速发展，二维材料的热膨胀特性成为研究热点。然而，目前已知的二维材料大多表现出正热膨胀（PTE）或负热膨胀（NTE），而具有零热膨胀（ZTE）效应的二维材料极为罕见。
传统上，材料在加热或冷却过程中会因晶格结构中的热振动而发生可逆的尺寸变化，表现为线性热膨胀系数（LTEC）。大多数材料显示出正热膨胀，这意味着随着温度的升高，晶格会膨胀。然而，也有一些材料在冷却时会膨胀，即表现出负热膨胀效应。零热膨胀（ZTE）材料则在特定温度范围内几乎不发生体积变化，这种效应在1897年首次发现，并在之后的许多领域得到了广泛应用。
本论文数据链接：
https://archive.materialscloud.org/record/2024.111
主要结果：
本研究旨在通过机器学习技术，结合高通量计算和符号回归方法，探索和发现具有特殊热膨胀特性的二维单层材料。研究重点是识别能够有效区分PTE和NTE二维晶体的机械描述符，并利用这些描述符预测和发现具有ZTE特性的二维材料，以及具有极端热膨胀系数（ELTE）的二维单层材料。
研究团队利用了最新的机器学习分类算法和符号回归技术，通过大量的二维材料数据进行分析，确定了二维晶体的两个关键机械描述符：面内拉伸刚度（E2D）和面外弯曲刚度（D）。这些描述符的有效性通过机器学习模型得到了验证，成功分类并预测了不同温度范围内的二维晶体的热膨胀行为。
ZTE二维晶体的发现：研究预测并验证了两种具有ZTE特性的二维晶体——氧化锆（ZrO2）和氧化铪（HfO2）。这些材料在中等温度范围（300-600K）内具有接近零的线性热膨胀系数，适合用于对温度变化敏感的纳米级电子设备。
极端热膨胀二维晶体的发现：研究还发现了三种表现出极端正热膨胀（EPTE）的二维材料和三种表现出极端负热膨胀（ENTE）的二维材料。这些材料的线性热膨胀系数在特定温度下分别超出±15 × 10⁻⁶ K⁻¹，具有重要的科学研究和应用价值。
这些新发现的二维材料在未来的电子器件设计中具有广阔的应用前景。尤其是在对热膨胀特性要求极高的精密设备中，这些材料可以显著提高设备的性能和稳定性。此外，通过将PTE和NTE材料组合，设计出多层结构的ZTE材料，为进一步拓展二维材料的应用范围提供了新的思路。
结论：
本研究通过机器学习技术和高通量计算，成功发现了具有特殊热膨胀特性的二维单层材料。这些发现不仅丰富了材料科学的理论研究，也为纳米电子学的发展提供了新的材料基础。未来，随着更多二维材料的探索和研究，相信会有更多具有非凡热膨胀特性的材料被发现，并广泛应用于各类高科技领域。
