本分册图书内容将包括材料设计的智能计算平台ALKEMIE及其应用案例、神经网络势函数与大规模分子动力学模拟、电声耦合与相变存储材料的电热输运性质、多组元材料结构搜索与新型阻变存储材料设计、半导体能带的高通量计算、新型二维功能半导体的理论设计、二维高性能电极材料的搜索和设计、硫系玻璃的第一性原理与分子动力学模拟、新型二维过渡金属碳化物的结构搜索与性能设计、二维范德华异质结的设计与应用和材料计算中的不确定性及其量化方法。
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主持国家重点研发计划“高通量自动流程材料集成计算算法与软件及其在先进存储材料中的应用 ”等多项课题。
目录
丛书序
序
前言
第1章 材料高通量智能设计平台ALKEMIE 1
1.1 材料基因工程简介 1
1.1.1 材料基因工程发展与概述 1
1.1.2 高通量自动计算概述 2
1.1.3 材料数据库概述 3
1.1.4 材料人工智能概述 4
1.2 高通量计算软件和材料数据库国内外发展现状 6
1.2.1 国外发展现状 6
1.2.2 国内发展现状 9
1.3 多尺度集成可视化的高通量自动计算流程及数据管理智能平台ALKEMIE 11
1.3.1 AMDIV设计理念 11
1.3.2 基础架构 15
1.3.3 功能特色 17
1.3.4 服务端多平台部署 19
1.3.5 客户端试用及安装 20
1.3.6 平台概览 20
1.4 材料自动建模及模型可视化 22
1.4.1 高通量建模方法 22
1.4.2 高通量处理器：高通量建模与工作流的耦合 23
1.4.3 结构可视化 23
1.5 高通量计算科学工作流 24
1.5.1 高通量第一性原理计算工作流 25
1.5.2 跨尺度计算模拟 25
1.5.3 高通量工作流运行状态查看和调整 28
1.6 多用途材料数据库 29
1.6.1 材料结构数据库 31
1.6.2 高通量工作流数据库 32
1.6.3 材料性能数据库 34
1.7 材料可视化数据分析 36
1.8 材料人工智能技术 37
1.8.1 ALKEMIE机器学习概述 37
1.8.2 可视化机器学习 37
参考文献 38
第2章 神经网络势函数与大规模分子动力学模拟 40
2.1 大规模分子动力学模拟原子间相互作用势概述 41
2.1.1 对势模型 41
2.1.2 多体相互作用势 41
2.2 神经网络势函数概述 42
2.2.1 低维度机器学习势函数 42
2.2.2 高维度神经网络势函数 43
2.2.3 考虑长程相互作用的神经网络势函数 45
2.2.4 考虑全局结构和电荷分布的神经网络势函数 45
2.3 多尺度机器学习势函数方法 46
2.3.1 PotentialMind多尺度机器学习势函数方法概述 46
2.3.2 基于第一性原理的机器学习数据集构建方法 49
2.3.3 材料结构描述符方法 50
2.3.4 深度神经网络训练方法 55
2.3.5 基于神经网络势函数的大规模分子动力学模拟方法 57
2.4 二元Sb2Te3神经网络势函数及大规模分子动力学模拟 58
2.4.1 神经网络初始模型构建 58
2.4.2 第一性原理和机器学习方法 60
2.4.3 Fingerprint：适用于Sb2Te3的结构描述符 60
2.4.4 Generate：第一性原理高通量静态计算 60
2.4.5 Training：深度神经网络模型训练 61
2.4.6 Predict：基于深度神经网络势函数的原子能量和受力预测 62
2.4.7 MD：基于深度神经网络势函数的大规模分子动力学模拟 65
参考文献 68
第3章 半导体能带的高通量计算 69
3.1 半导体能带计算概述 69
3.1.1 半导体能带结构的重要性 69
3.1.2 半导体能带计算的历史 70
3.2 密度泛函理论的带隙问题 74
3.2.1 交换-关联泛函缺乏导数不连续性 74
3.2.2 离域化错误 74
3.2.3 电子自相互作用 76
3.2.4 交换能不精确 76
3.2.5 准粒子观点 76
3.2.6 自能修正与DFT-1/2方法 77
3.2.7 DFT-1/2方法的自能势、截断函数及其局限性 77
3.3 shell DFT-1/2计算方法 79
3.3.1 shell DFT-1/2能带计算方法的提出 80
3.3.2 金刚石和硅的比较 81
3.3.3 半导体锗能带的从头计算 83
3.4 用shell DFT-1/2方法实现半导体能带的高效计算 84
3.4.1 使用shell DFT-1/2方法进行高通量计算的步骤 84
3.4.2 对Ⅲ-Ⅴ半导体的计算范例 85
参考文献 88
第4章 材料计算中的不确定性及其量化算法 90
4.1 材料计算中的不确定性 90
4.2 参数不确定性量化——广义多项式混沌与体积模量估测 90
4.2.1 广义多项式混沌方法 91
4.2.2 Ti3SiC2材料系统的体积模量 95
4.2.3 Sb2Te3材料系统的体积模量 99
4.3 逆问题——多元合金的互扩散系数 99
4.3.1 基于压缩感知的不确定性量化算法 100
4.3.2 基于高斯过程的不确定性量化算法 109
4.3.3 方法小结与讨论 124
4.4 总结 125
参考文献 125
第5章 锑碲相变存储材料最佳掺杂元素的高通量筛选 127
5.1 大数据与高通量筛选 127
5.2 相变存储器与相变存储材料 130
5.3 锑碲相变存储材料最佳掺杂元素筛选 133
5.4 锑碲相变存储材料最佳掺杂元素验证 138
5.4.1 掺杂结构 138
5.4.2 电子结构与电热输运性质 140
5.4.3 非晶态热稳定性 144
参考文献 150
第6章 钇锑碲高性能相变存储器 151
6.1 钇锑碲相变材料制备与表征 151
6.2 钇锑碲相变存储器集成与性能测试 156
6.3 钇锑碲多级相变存储与相变机理 157
6.4 钇锑碲基高性能相变存储器 165
参考文献 167
第7章 多元材料的结构搜索与阻变存储材料设计 169
7.1 多组元阻变存储材料简介 169
7.2 三元单层过渡金属二硫化物的结构与性质 170
7.2.1 计算方法 170
7.2.2 三元TMDC的基态原子结构搜索 171
7.2.3 三元TMDC的结构稳定性分析 174
7.2.4 三元TMDC的电子结构 177
7.3 三元双层MoS2-xOx材料的半导体-金属转变 180
7.3.1 引言 180
7.3.2 计算方法 180
7.3.3 基于团簇展开法的MoS2-xOx原子结构搜寻 181
7.3.4 MoS2-xOx结构的电子结构计算 182
7.3.5 MoS2-xOx结构的动力学稳定性 185
7.3.6 双层MoS2-xOx的半导体-金属转变探究 187
7.3.7 SMT的电子尺度根源 190
7.4 团簇展开方法和遗传算法的集成与应用 193
7.4.1 引言 193
7.4.2 遗传算法 194
7.4.3 pyGACE策略 194
7.4.4 pyGACE实例应用 196
参考文献 198
第8章 超低热导率与高热电优值材料的高通量第一性原理计算 200
8.1 超低热导率新型Ⅳ-Ⅴ-Ⅵ族层状半导体 200
8.1.1 研究背景与计算方法 200
8.1.2 结构稳定性 201
8.1.3 晶格热导率 203
8.1.4 低晶格热导率机理 206
8.1.5 基于机器学习预测Ⅳ-Ⅴ-Ⅵ半导体热电性能 212
8.1.6 电子结构 218
8.1.7 热电输运性质 220
8.2 高通量筛选优良高温热电性能的新型金属氧化物 224
8.2.1 研究背景和计算方法 224
8.2.2 氧化物结构和成分筛选 226
8.2.3 电子结构筛选 226
8.2.4 晶格热导率筛选 228
8.2.5 候选氧化物的电输运性能 229
8.2.6 候选氧化物的热输运性能 232
8.2.7 候选氧化物的品质因子 235
参考文献 236
第9章 新型功能半导体的理论设计 237
9.1 二维Janus磁性半导体 237
9.1.1 领域现状 237
9.1.2 晶体结构与电子结构 237
9.1.3 合成方法 241
9.1.4 磁性基态 242
9.1.5 应变下的电磁性质研究 242
9.1.6 电子结构研究 245
9.2 新型超宽带隙半导体 245
9.2.1 领域现状 245
9.2.2 晶体结构与高压相变 246
9.2.3 三方YOBr的合成及其电子结构 248
9.2.4 单层的制备与稳定性 251
9.2.5 应变下的单层 252
9.2.6 光吸收与光催化 257
9.3 二维In2Ge2Te6多功能半导体 259
9.3.1 领域现状 259
9.3.2 晶体结构与电子结构 260
9.3.3 实验制备可行性 262
9.3.4 晶体稳定性 263
9.3.5 量子相变 263
9.3.6 范德瓦耳斯压力下的原子堆垛 264
9.3.7 光电性质 266
9.4 新型高性能三元硫族光电半导体的高通量设计 269
9.4.1 研究背景与计算方法 269
9.4.2 原型晶体结构与计算材料数据库 270
9.4.3 高通量计算筛选 272
9.4.4 光伏性能 275
9.4.5 晶体稳定性与电子结构 276
9.5 本章小结 278
参考文献 280
第10章 硫系玻璃的第一性原理与分子动力学模拟 281
10.1 相变存储器及硫系玻璃的物理性质 281
10.1.1 相变存储器 281
10.1.2 硫系相变存储材料 284
10.1.3 相变存储机制 286
10.1.4 硫系选通管材料及阈值转换机制 288
10.2 非晶材料的建模和分析方法 293
10.2.1 第一性原理分子动力学 293
10.2.2 非晶模型结构分析方法 295
10.3 传统硫系相变玻璃的局部结构和动力学模拟 299
10.3.1 非晶Ge-Sb-Te的局部结构和动力学模拟 299
10.3.2 非晶Sb-Te的局部结构和动力学模拟 309
10.3.3 非晶Ge-Sb的超快结晶机制 316
10.3.4 非晶Te的局部结构模拟 321
10.4 新型相变材料的非晶结构设计与材料改性 324
10.4.1 锑基相变材料模拟和设计 324
10.4.2 碳掺杂高稳定相变存储材料 330
10.4.3 铬掺杂反常相变存储材料 334
10.4.4 钾掺杂多级相变存储材料 338
10.5 硫系选通管材料的模拟设计 343
参考文献 349
第11章 二维范德瓦耳斯异质结的设计与应用 350
11.1 范德瓦耳斯异质结的基本概念 350
11.1.1 范德瓦耳斯异质结的定义 350
11.1.2 二维范德瓦耳斯异质结的分类 351
11.2 范德瓦耳斯异质结集成计算与智能设计 352
11.2.1 高通量数据集成计算的发展 352
11.2.2 半经验范德瓦耳斯修正方法 354
11.2.3 二维材料的晶格匹配 355
11.2.4 范德瓦耳斯异质结的形成能与结合能 355
11.3 MXene基异质结太阳能电池 356
11.4 范德瓦耳斯异质结光催化分解水 365
11.5 范德瓦耳斯异质结锂离子电池阳极 377
11.5.1 黑磷/TiC2范德瓦耳斯异质结锂离子电池柔性阳极 377
11.5.2 蓝磷/MS2（M=Nb、Ta）异质结锂离子电池柔性阳极 388
11.6 范德瓦耳斯异质结光电子器件 398
11.6.1 黑磷/MS3（M=Ti、Hf）范德瓦耳斯异质结光电子器件 398
11.6.2 石墨烯/InSe范德瓦耳斯异质结光电子器件 404
参考文献 411
第12章 新型二维过渡金属碳/氮化物的结构与性能设计 412
12.1 新型二维过渡金属碳/氮化物的结构设计 412
12.1.1 研究背景与计算方法 412
12.1.2 MoxCy结构预测和稳定性分析 413
12.1.3 MoxCy电子性质 416
12.1.4 其他富碳MxCy结构 417
12.1.5 Janus结构的设计 418
12.1.6 Janus结构的电子性质 420
12.2 新型二维过渡金属碳化物在能源存储中的应用 422
12.2.1 研究背景与计算方法 422
12.2.2 Li/Na在二维MoxCy上的吸附 423
12.2.3 Li/Na在二维MoxCy上的扩散行为 425
12.2.4 二维MoxCy对Li/Na的理论比容量 426
12.2.5 二维MoxCy吸附Li/Na原子的开路电压 428
12.2.6 稳定性和工作机制分析 428
12.3 二维过渡金属碳化物电催化水分解和氧还原反应 430
12.3.1 研究背景与计算方法 430
12.3.2 二维MC2的溶液稳定性 433
12.3.3 析氢反应 434
12.3.4 析氧和氧还原反应 438
12.4 新型二维过渡金属碳化物在电催化氮还原中的应用 443
12.4.1 研究背景与计算方法 443
12.4.2 N2的吸附和活化 444
12.4.3 NRR化学热力学 446
12.4.4 NRR机制 449
12.5 二维过渡金属氮化物Janus结构光催化水分解反应 451
12.5.1 研究背景与计算方法 451
12.5.2 电子性质和能带排列 453
12.5.3 光学性质 456
12.5.4 载流子迁移率 457
12.5.5 光催化水分解反应 459
参考文献 462
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