目錄
叢書序
序
前言
第1章 材料高通量智能設計平臺ALKEMIE 1
1.1 材料基因工程簡介 1
1.1.1 材料基因工程發(fā)展與概述 1
1.1.2 高通量自動計算概述 2
1.1.3 材料數(shù)據(jù)庫概述 3
1.1.4 材料人工智能概述 4
1.2 高通量計算軟件和材料數(shù)據(jù)庫國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀 6
1.2.1 國外發(fā)展現(xiàn)狀 6
1.2.2 國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀 9
1.3 多尺度集成可視化的高通量自動計算流程及數(shù)據(jù)管理智能平臺ALKEMIE 11
1.3.1 AMDIV設計理念 11
1.3.2 基礎(chǔ)架構(gòu) 15
1.3.3 功能特色 17
1.3.4 服務端多平臺部署 19
1.3.5 客戶端試用及安裝 20
1.3.6 平臺概覽 20
1.4 材料自動建模及模型可視化 22
1.4.1 高通量建模方法 22
1.4.2 高通量處理器：高通量建模與工作流的耦合 23
1.4.3 結(jié)構(gòu)可視化 23
1.5 高通量計算科學工作流 24
1.5.1 高通量第一性原理計算工作流 25
1.5.2 跨尺度計算模擬 25
1.5.3 高通量工作流運行狀態(tài)查看和調(diào)整 28
1.6 多用途材料數(shù)據(jù)庫 29
1.6.1 材料結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫 31
1.6.2 高通量工作流數(shù)據(jù)庫 32
1.6.3 材料性能數(shù)據(jù)庫 34
1.7 材料可視化數(shù)據(jù)分析 36
1.8 材料人工智能技術(shù) 37
1.8.1 ALKEMIE機器學習概述 37
1.8.2 可視化機器學習 37
參考文獻 38
第2章 神經(jīng)網(wǎng)絡勢函數(shù)與大規(guī)模分子動力學模擬 40
2.1 大規(guī)模分子動力學模擬原子間相互作用勢概述 41
2.1.1 對勢模型 41
2.1.2 多體相互作用勢 41
2.2 神經(jīng)網(wǎng)絡勢函數(shù)概述 42
2.2.1 低維度機器學習勢函數(shù) 42
2.2.2 高維度神經(jīng)網(wǎng)絡勢函數(shù) 43
2.2.3 考慮長程相互作用的神經(jīng)網(wǎng)絡勢函數(shù) 45
2.2.4 考慮全局結(jié)構(gòu)和電荷分布的神經(jīng)網(wǎng)絡勢函數(shù) 45
2.3 多尺度機器學習勢函數(shù)方法 46
2.3.1 PotentialMind多尺度機器學習勢函數(shù)方法概述 46
2.3.2 基于第一性原理的機器學習數(shù)據(jù)集構(gòu)建方法 49
2.3.3 材料結(jié)構(gòu)描述符方法 50
2.3.4 深度神經(jīng)網(wǎng)絡訓練方法 55
2.3.5 基于神經(jīng)網(wǎng)絡勢函數(shù)的大規(guī)模分子動力學模擬方法 57
2.4 二元Sb2Te3神經(jīng)網(wǎng)絡勢函數(shù)及大規(guī)模分子動力學模擬 58
2.4.1 神經(jīng)網(wǎng)絡初始模型構(gòu)建 58
2.4.2 第一性原理和機器學習方法 60
2.4.3 Fingerprint：適用于Sb2Te3的結(jié)構(gòu)描述符 60
2.4.4 Generate：第一性原理高通量靜態(tài)計算 60
2.4.5 Training：深度神經(jīng)網(wǎng)絡模型訓練 61
2.4.6 Predict：基于深度神經(jīng)網(wǎng)絡勢函數(shù)的原子能量和受力預測 62
2.4.7 MD：基于深度神經(jīng)網(wǎng)絡勢函數(shù)的大規(guī)模分子動力學模擬 65
參考文獻 68
第3章 半導體能帶的高通量計算 69
3.1 半導體能帶計算概述 69
3.1.1 半導體能帶結(jié)構(gòu)的重要性 69
3.1.2 半導體能帶計算的歷史 70
3.2 密度泛函理論的帶隙問題 74
3.2.1 交換-關(guān)聯(lián)泛函缺乏導數(shù)不連續(xù)性 74
3.2.2 離域化錯誤 74
3.2.3 電子自相互作用 76
3.2.4 交換能不精確 76
3.2.5 準粒子觀點 76
3.2.6 自能修正與DFT-1/2方法 77
3.2.7 DFT-1/2方法的自能勢、截斷函數(shù)及其局限性 77
3.3 shell DFT-1/2計算方法 79
3.3.1 shell DFT-1/2能帶計算方法的提出 80
3.3.2 金剛石和硅的比較 81
3.3.3 半導體鍺能帶的從頭計算 83
3.4 用shell DFT-1/2方法實現(xiàn)半導體能帶的高效計算 84
3.4.1 使用shell DFT-1/2方法進行高通量計算的步驟 84
3.4.2 對Ⅲ-Ⅴ半導體的計算范例 85
參考文獻 88
第4章 材料計算中的不確定性及其量化算法 90
4.1 材料計算中的不確定性 90
4.2 參數(shù)不確定性量化——廣義多項式混沌與體積模量估測 90
4.2.1 廣義多項式混沌方法 91
4.2.2 Ti3SiC2材料系統(tǒng)的體積模量 95
4.2.3 Sb2Te3材料系統(tǒng)的體積模量 99
4.3 逆問題——多元合金的互擴散系數(shù) 99
4.3.1 基于壓縮感知的不確定性量化算法 100
4.3.2 基于高斯過程的不確定性量化算法 109
4.3.3 方法小結(jié)與討論 124
4.4 總結(jié) 125
參考文獻 125
第5章 銻碲相變存儲材料最佳摻雜元素的高通量篩選 127
5.1 大數(shù)據(jù)與高通量篩選 127
5.2 相變存儲器與相變存儲材料 130
5.3 銻碲相變存儲材料最佳摻雜元素篩選 133
5.4 銻碲相變存儲材料最佳摻雜元素驗證 138
5.4.1 摻雜結(jié)構(gòu) 138
5.4.2 電子結(jié)構(gòu)與電熱輸運性質(zhì) 140
5.4.3 非晶態(tài)熱穩(wěn)定性 144
參考文獻 150
第6章 釔銻碲高性能相變存儲器 151
6.1 釔銻碲相變材料制備與表征 151
6.2 釔銻碲相變存儲器集成與性能測試 156
6.3 釔銻碲多級相變存儲與相變機理 157
6.4 釔銻碲基高性能相變存儲器 165
參考文獻 167
第7章 多元材料的結(jié)構(gòu)搜索與阻變存儲材料設計 169
7.1 多組元阻變存儲材料簡介 169
7.2 三元單層過渡金屬二硫化物的結(jié)構(gòu)與性質(zhì) 170
7.2.1 計算方法 170
7.2.2 三元TMDC的基態(tài)原子結(jié)構(gòu)搜索 171
7.2.3 三元TMDC的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析 174
7.2.4 三元TMDC的電子結(jié)構(gòu) 177
7.3 三元雙層MoS2-xOx材料的半導體-金屬轉(zhuǎn)變 180
7.3.1 引言 180
7.3.2 計算方法 180
7.3.3 基于團簇展開法的MoS2-xOx原子結(jié)構(gòu)搜尋 181
7.3.4 MoS2-xOx結(jié)構(gòu)的電子結(jié)構(gòu)計算 182
7.3.5 MoS2-xOx結(jié)構(gòu)的動力學穩(wěn)定性 185
7.3.6 雙層MoS2-xOx的半導體-金屬轉(zhuǎn)變探究 187
7.3.7 SMT的電子尺度根源 190
7.4 團簇展開方法和遺傳算法的集成與應用 193
7.4.1 引言 193
7.4.2 遺傳算法 194
7.4.3 pyGACE策略 194
7.4.4 pyGACE實例應用 196
參考文獻 198
第8章 超低熱導率與高熱電優(yōu)值材料的高通量第一性原理計算 200
8.1 超低熱導率新型Ⅳ-Ⅴ-Ⅵ族層狀半導體 200
8.1.1 研究背景與計算方法 200
8.1.2 結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性 201
8.1.3 晶格熱導率 203
8.1.4 低晶格熱導率機理 206
8.1.5 基于機器學習預測Ⅳ-Ⅴ-Ⅵ半導體熱電性能 212
8.1.6 電子結(jié)構(gòu) 218
8.1.7 熱電輸運性質(zhì) 220
8.2 高通量篩選優(yōu)良高溫熱電性能的新型金屬氧化物 224
8.2.1 研究背景和計算方法 224
8.2.2 氧化物結(jié)構(gòu)和成分篩選 226
8.2.3 電子結(jié)構(gòu)篩選 226
8.2.4 晶格熱導率篩選 228
8.2.5 候選氧化物的電輸運性能 229
8.2.6 候選氧化物的熱輸運性能 232
8.2.7 候選氧化物的品質(zhì)因子 235
參考文獻 236
第9章 新型功能半導體的理論設計 237
9.1 二維Janus磁性半導體 237
9.1.1 領(lǐng)域現(xiàn)狀 237
9.1.2 晶體結(jié)構(gòu)與電子結(jié)構(gòu) 237
9.1.3 合成方法 241
9.1.4 磁性基態(tài) 242
9.1.5 應變下的電磁性質(zhì)研究 242
9.1.6 電子結(jié)構(gòu)研究 245
9.2 新型超寬帶隙半導體 245
9.2.1 領(lǐng)域現(xiàn)狀 245
9.2.2 晶體結(jié)構(gòu)與高壓相變 246
9.2.3 三方Y(jié)OBr的合成及其電子結(jié)構(gòu) 248
9.2.4 單層的制備與穩(wěn)定性 251
9.2.5 應變下的單層 252
9.2.6 光吸收與光催化 257
9.3 二維In2Ge2Te6多功能半導體 259
9.3.1 領(lǐng)域現(xiàn)狀 259
9.3.2 晶體結(jié)構(gòu)與電子結(jié)構(gòu) 260
9.3.3 實驗制備可行性 262
9.3.4 晶體穩(wěn)定性 263
9.3.5 量子相變 263
9.3.6 范德瓦耳斯壓力下的原子堆垛 264
9.3.7 光電性質(zhì) 266
9.4 新型高性能三元硫族光電半導體的高通量設計 269
9.4.1 研究背景與計算方法 269
9.4.2 原型晶體結(jié)構(gòu)與計算材料數(shù)據(jù)庫 270
9.4.3 高通量計算篩選 272
9.4.4 光伏性能 275
9.4.5 晶體穩(wěn)定性與電子結(jié)構(gòu) 276
9.5 本章小結(jié) 278
參考文獻 280
第10章 硫系玻璃的第一性原理與分子動力學模擬 281
10.1 相變存儲器及硫系玻璃的物理性質(zhì) 281
10.1.1 相變存儲器 281
10.1.2 硫系相變存儲材料 284
10.1.3 相變存儲機制 286
10.1.4 硫系選通管材料及閾值轉(zhuǎn)換機制 288
10.2 非晶材料的建模和分析方法 293
10.2.1 第一性原理分子動力學 293
10.2.2 非晶模型結(jié)構(gòu)分析方法 295
10.3 傳統(tǒng)硫系相變玻璃的局部結(jié)構(gòu)和動力學模擬 299
10.3.1 非晶Ge-Sb-Te的局部結(jié)構(gòu)和動力學模擬 299
10.3.2 非晶Sb-Te的局部結(jié)構(gòu)和動力學模擬 309
10.3.3 非晶Ge-Sb的超快結(jié)晶機制 316
10.3.4 非晶Te的局部結(jié)構(gòu)模擬 321
10.4 新型相變材料的非晶結(jié)構(gòu)設計與材料改性 324
10.4.1 銻基相變材料模擬和設計 324
10.4.2 碳摻雜高穩(wěn)定相變存儲材料 330
10.4.3 鉻摻雜反常相變存儲材料 334
10.4.4 鉀摻雜多級相變存儲材料 338
10.5 硫系選通管材料的模擬設計 343
參考文獻 349
第11章 二維范德瓦耳斯異質(zhì)結(jié)的設計與應用 350
11.1 范德瓦耳斯異質(zhì)結(jié)的基本概念 350
11.1.1 范德瓦耳斯異質(zhì)結(jié)的定義 350
11.1.2 二維范德瓦耳斯異質(zhì)結(jié)的分類 351
11.2 范德瓦耳斯異質(zhì)結(jié)集成計算與智能設計 352
11.2.1 高通量數(shù)據(jù)集成計算的發(fā)展 352
11.2.2 半經(jīng)驗范德瓦耳斯修正方法 354
11.2.3 二維材料的晶格匹配 355
11.2.4 范德瓦耳斯異質(zhì)結(jié)的形成能與結(jié)合能 355
11.3 MXene基異質(zhì)結(jié)太陽能電池 356
11.4 范德瓦耳斯異質(zhì)結(jié)光催化分解水 365
11.5 范德瓦耳斯異質(zhì)結(jié)鋰離子電池陽極 377
11.5.1 黑磷/TiC2范德瓦耳斯異質(zhì)結(jié)鋰離子電池柔性陽極 377
11.5.2 藍磷/MS2（M=Nb、Ta）異質(zhì)結(jié)鋰離子電池柔性陽極 388
11.6 范德瓦耳斯異質(zhì)結(jié)光電子器件 398
11.6.1 黑磷/MS3（M=Ti、Hf）范德瓦耳斯異質(zhì)結(jié)光電子器件 398
11.6.2 石墨烯/InSe范德瓦耳斯異質(zhì)結(jié)光電子器件 404
參考文獻 411
第12章 新型二維過渡金屬碳/氮化物的結(jié)構(gòu)與性能設計 412
12.1 新型二維過渡金屬碳/氮化物的結(jié)構(gòu)設計 412
12.1.1 研究背景與計算方法 412
12.1.2 MoxCy結(jié)構(gòu)預測和穩(wěn)定性分析 413
12.1.3 MoxCy電子性質(zhì) 416
12.1.4 其他富碳MxCy結(jié)構(gòu) 417
12.1.5 Janus結(jié)構(gòu)的設計 418
12.1.6 Janus結(jié)構(gòu)的電子性質(zhì) 420
12.2 新型二維過渡金屬碳化物在能源存儲中的應用 422
12.2.1 研究背景與計算方法 422
12.2.2 Li/Na在二維MoxCy上的吸附 423
12.2.3 Li/Na在二維MoxCy上的擴散行為 425
12.2.4 二維MoxCy對Li/Na的理論比容量 426
12.2.5 二維MoxCy吸附Li/Na原子的開路電壓 428
12.2.6 穩(wěn)定性和工作機制分析 428
12.3 二維過渡金屬碳化物電催化水分解和氧還原反應 430
12.3.1 研究背景與計算方法 430
12.3.2 二維MC2的溶液穩(wěn)定性 433
12.3.3 析氫反應 434
12.3.4 析氧和氧還原反應 438
12.4 新型二維過渡金屬碳化物在電催化氮還原中的應用 443
12.4.1 研究背景與計算方法 443
12.4.2 N2的吸附和活化 444
12.4.3 NRR化學熱力學 446
12.4.4 NRR機制 449
12.5 二維過渡金屬氮化物Janus結(jié)構(gòu)光催化水分解反應 451
12.5.1 研究背景與計算方法 451
12.5.2 電子性質(zhì)和能帶排列 453
12.5.3 光學性質(zhì) 456
12.5.4 載流子遷移率 457
12.5.5 光催化水分解反應 459
參考文獻 462