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瀚海量子新蟲 (初入文壇)
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J. Am. Chem. Soc.：高通量篩選Rattling誘導(dǎo)的極低晶格熱導(dǎo)率半導(dǎo)體材料
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論文信息 英文原題：High-Throughput Screening of Rattling-Induced Ultralow Lattice Thermal Conductivity in Semiconductors 通訊作者：胡偉，楊金龍，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué) 作者：李杰嵐，胡偉，楊金龍 論文地址：https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/jacs.1c11887 研究背景 熱電材料可以實(shí)現(xiàn)熱能和電能的直接轉(zhuǎn)化，是一種環(huán)境友好的能源材料。高性能熱電材料要求極低的熱導(dǎo)率。對(duì)于半導(dǎo)體，熱導(dǎo)率主要由晶格振動(dòng)引發(fā)的晶格熱導(dǎo)率主導(dǎo)。晶格熱導(dǎo)率與材料的非諧性密切相關(guān)。Rattling模型意味著在周期性晶格中松散束縛的原子的大幅度振動(dòng)，它被證明是一種有效的導(dǎo)致強(qiáng)非諧性的策略。 隨著現(xiàn)代計(jì)算能力的快速發(fā)展，高通量計(jì)算技術(shù)因其可以加速新型功能材料發(fā)現(xiàn)而被廣泛關(guān)注，并在鋰離子電池、催化、太陽能電池和拓?fù)洳牧系阮I(lǐng)域獲得了成功應(yīng)用。但是，很多工作都是采用直接計(jì)算大量材料實(shí)現(xiàn)高通量篩選，這需要耗費(fèi)大量的時(shí)間和計(jì)算資源。近年來，一些工作將機(jī)器學(xué)習(xí)算法和高通量計(jì)算結(jié)合起來。然而，獲得機(jī)器學(xué)習(xí)所需的訓(xùn)練集和模型訓(xùn)練也仍然需要相當(dāng)多的時(shí)間和計(jì)算資源。并且，由于缺乏有效描述符，訓(xùn)練模型的準(zhǔn)確性強(qiáng)烈依賴訓(xùn)練集，這通常使得模型的適用范圍局限在某一類材料。 中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)楊金龍-胡偉團(tuán)隊(duì)提出了一種Rattling模型的結(jié)構(gòu)描述符，其適用于任何晶體結(jié)構(gòu)類型且只需要材料的結(jié)構(gòu)信息，可以用于實(shí)現(xiàn)低晶格熱導(dǎo)率材料的快速篩選。利用該描述符，532種極低晶格熱導(dǎo)率材料被發(fā)現(xiàn)，其中Rb2SnBr6具有目前為止已知的Rattling模型材料中最低的常溫晶格熱導(dǎo)率。相關(guān)工作以“High-Throughput Screening of Rattling-Induced Ultralow Lattice Thermal Conductivity in Semiconductors”為題，發(fā)表于《J. Am. Chem. Soc.》。 論文要點(diǎn) 1）Rattling模型的關(guān)鍵特征是晶格中特定原子和它周圍原子的不同振動(dòng)幅度。該工作的目標(biāo)是尋找晶格中被松散束縛的原子。我們可以通過鍵長(zhǎng)來簡(jiǎn)單地描述原子間相互作用強(qiáng)度。在可視化軟件中，原子間的距離處于對(duì)應(yīng)原子的共價(jià)半徑之和的F1和F2倍之間時(shí)，可以認(rèn)為兩個(gè)原子成鍵。這個(gè)策略可以被用于高通量篩選上。 2）高通量篩選流程。材料數(shù)據(jù)主要來源于Materials Project數(shù)據(jù)庫的131,613種材料。首先根據(jù)材料是否是半導(dǎo)體，穩(wěn)定性以及是否包含貴金屬和有毒元素做初步篩選。然后使用作者提出的Rattling模型描述符，篩選得到的材料也通過經(jīng)驗(yàn)公式和機(jī)器學(xué)習(xí)結(jié)合的方法證實(shí)了它們的低熱導(dǎo)率。 3）結(jié)合經(jīng)驗(yàn)公式和第一性原理計(jì)算驗(yàn)證了單胞原子數(shù)較少的體系。 4）驗(yàn)證了CsCu3O2的Rattling模型特征。電荷密度分布，電子局域分布函數(shù)，勢(shì)能計(jì)算和聲子譜的計(jì)算結(jié)果都表明Cs原子是Rattling原子。其他材料比如Rb2SnBr6和CsCu3S2的Rattling模型也在補(bǔ)充材料里得到了證明。 5）該工作篩選得到材料的晶格熱導(dǎo)率和文獻(xiàn)已有材料進(jìn)行了對(duì)比，具體數(shù)據(jù)請(qǐng)參考原文：https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/jacs.1c11887 作者團(tuán)隊(duì)信息 李杰嵐：第一作者，物理化學(xué)專業(yè)博士在讀，主要研究方向是以DGDFT/PWDFT為基礎(chǔ)的DFT算法加速和GPU高性能計(jì)算以及高通量材料計(jì)算。 胡偉：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)國家研究中心，特任研究員，博士生導(dǎo)師。 胡偉研究員致力于發(fā)展大規(guī)模密度泛函理論計(jì)算方法的開發(fā)與應(yīng)用，與數(shù)學(xué)、物理、計(jì)算機(jī)理論學(xué)家和化學(xué)實(shí)驗(yàn)學(xué)家展開了廣泛的合作，包括提出基于密度泛函理論的新理論算法（ISDF,ACE和PCDIIS），開發(fā)高性能并行計(jì)算軟件（HONPAS，KSSOLV，PWDFT和DGDFT），并應(yīng)用于多功能材料設(shè)計(jì)（太陽能電池、光解水制氫光催化劑、場(chǎng)效應(yīng)管、肖特基二極管和PN結(jié)）和催化化學(xué)（光催化、表面催化和氣體傳感器）等領(lǐng)域。 胡偉研究員主頁 https://www.x-mol.com/university/faculty/74080 胡偉研究員還為合肥瀚海量子科技有限公司創(chuàng)始人兼首席科學(xué)家，需要了解更多胡偉研究員團(tuán)隊(duì)成果信息可訪問： 瀚海量子官網(wǎng)鏈接 楊金龍：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授，博士生導(dǎo)師，中國科學(xué)院院士。 主要研究領(lǐng)域?yàn)槔碚摵陀?jì)算化學(xué)，一直致力于發(fā)展與應(yīng)用第一性原理計(jì)算方法與模型，研究小分子，原子團(tuán)簇，固體表面與界面和納米體系的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)，注重和相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究的配合與合作。已發(fā)表學(xué)術(shù)研究論文五百余篇，論文被引用二萬余次。獲得國家杰出青年科學(xué)基金資助，受聘教育部“長(zhǎng)江學(xué)者獎(jiǎng)勵(lì)計(jì)劃”特聘教授， 擔(dān)任基金委創(chuàng)新群體負(fù)責(zé)人和國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目首席科學(xué)家。應(yīng)邀擔(dān)任The Journal of Physical Chemistry、WIREs Computational Molecular Science和物理化學(xué)學(xué)報(bào)的副主編，Theoretical Chemistry Accounts、中國科學(xué)和化學(xué)物理學(xué)報(bào)的編委。入選美國物理學(xué)會(huì)（APS）的Fellow。 楊金龍?jiān)菏恐黜?br /> https://staff.ustc.edu.cn/~jlyang/cv.htm https://www.x-mol.com/university/faculty/14848 |
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