本分冊(cè)圖書(shū)內(nèi)容將包括材料設(shè)計(jì)的智能計(jì)算平臺(tái)ALKEMIE及其應(yīng)用案例、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)勢(shì)函數(shù)與大規(guī)模分子動(dòng)力學(xué)模擬、電聲耦合與相變存儲(chǔ)材料的電熱輸運(yùn)性質(zhì)、多組元材料結(jié)構(gòu)搜索與新型阻變存儲(chǔ)材料設(shè)計(jì)、半導(dǎo)體能帶的高通量計(jì)算、新型二維功能半導(dǎo)體的理論設(shè)計(jì)、二維高性能電極材料的搜索和設(shè)計(jì)、硫系玻璃的第一性原理與分子動(dòng)力學(xué)模擬、新型二維過(guò)渡金屬碳化物的結(jié)構(gòu)搜索與性能設(shè)計(jì)、二維范德華異質(zhì)結(jié)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用和材料計(jì)算中的不確定性及其量化方法。

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主持國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“高通量自動(dòng)流程材料集成計(jì)算算法與軟件及其在先進(jìn)存儲(chǔ)材料中的應(yīng)用 ”等多項(xiàng)課題。

目錄
叢書(shū)序
序
前言
第1章 材料高通量智能設(shè)計(jì)平臺(tái)ALKEMIE 1
1.1 材料基因工程簡(jiǎn)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(dòng)計(jì)算概述 2
1.1.3 材料數(shù)據(jù)庫(kù)概述 3
1.1.4 材料人工智能概述 4
1.2 高通量計(jì)算軟件和材料數(shù)據(jù)庫(kù)國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀 6
1.2.1 國(guó)外發(fā)展現(xiàn)狀 6
1.2.2 國(guó)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(dòng)計(jì)算流程及數(shù)據(jù)管理智能平臺(tái)ALKEMIE 11
1.3.1 AMDIV設(shè)計(jì)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(wù)端多平臺(tái)部署 19
1.3.5 客戶端試用及安裝 20
1.3.6 平臺(tái)概覽 20
1.4 材料自動(dòng)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(jì)算科學(xué)工作流 24
1.5.1 高通量第一性原理計(jì)算工作流 25
1.5.2 跨尺度計(jì)算模擬 25
1.5.3 高通量工作流運(yùn)行狀態(tài)查看和調(diào)整 28
1.6 多用途材料數(shù)據(jù)庫(kù) 29
1.6.1 材料結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫(kù) 31
1.6.2 高通量工作流數(shù)據(jù)庫(kù) 32
1.6.3 材料性能數(shù)據(jù)庫(kù) 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(jī)器學(xué)習(xí)概述 37
1.8.2 可視化機(jī)器學(xué)習(xí) 37
參考文獻(xiàn) 38
第2章 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)勢(shì)函數(shù)與大規(guī)模分子動(dòng)力學(xué)模擬 40
2.1 大規(guī)模分子動(dòng)力學(xué)模擬原子間相互作用勢(shì)概述 41
2.1.1 對(duì)勢(shì)模型 41
2.1.2 多體相互作用勢(shì) 41
2.2 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)勢(shì)函數(shù)概述 42
2.2.1 低維度機(jī)器學(xué)習(xí)勢(shì)函數(shù) 42
2.2.2 高維度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)勢(shì)函數(shù) 43
2.2.3 考慮長(zhǎng)程相互作用的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)勢(shì)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(luò)勢(shì)函數(shù) 45
2.3 多尺度機(jī)器學(xué)習(xí)勢(shì)函數(shù)方法 46
2.3.1 PotentialMind多尺度機(jī)器學(xué)習(xí)勢(shì)函數(shù)方法概述 46
2.3.2 基于第一性原理的機(jī)器學(xué)習(xí)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(luò)訓(xùn)練方法 55
2.3.5 基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)勢(shì)函數(shù)的大規(guī)模分子動(dòng)力學(xué)模擬方法 57
2.4 二元Sb2Te3神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)勢(shì)函數(shù)及大規(guī)模分子動(dòng)力學(xué)模擬 58
2.4.1 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)初始模型構(gòu)建 58
2.4.2 第一性原理和機(jī)器學(xué)習(xí)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(jì)算 60
2.4.5 Training：深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型訓(xùn)練 61
2.4.6 Predict：基于深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)勢(shì)函數(shù)的原子能量和受力預(yù)測(cè) 62
2.4.7 MD：基于深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)勢(shì)函數(shù)的大規(guī)模分子動(dòng)力學(xué)模擬 65
參考文獻(xiàn) 68
第3章 半導(dǎo)體能帶的高通量計(jì)算 69
3.1 半導(dǎo)體能帶計(jì)算概述 69
3.1.1 半導(dǎo)體能帶結(jié)構(gòu)的重要性 69
3.1.2 半導(dǎo)體能帶計(jì)算的歷史 70
3.2 密度泛函理論的帶隙問(wèn)題 74
3.2.1 交換-關(guān)聯(lián)泛函缺乏導(dǎo)數(shù)不連續(xù)性 74
3.2.2 離域化錯(cuò)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(zhǔn)粒子觀點(diǎn) 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(shì)、截?cái)嗪瘮?shù)及其局限性 77
3.3 shell DFT-1/2計(jì)算方法 79
3.3.1 shell DFT-1/2能帶計(jì)算方法的提出 80
3.3.2 金剛石和硅的比較 81
3.3.3 半導(dǎo)體鍺能帶的從頭計(jì)算 83
3.4 用shell DFT-1/2方法實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體能帶的高效計(jì)算 84
3.4.1 使用shell DFT-1/2方法進(jìn)行高通量計(jì)算的步驟 84
3.4.2 對(duì)Ⅲ-Ⅴ半導(dǎo)體的計(jì)算范例 85
參考文獻(xiàn) 88
第4章 材料計(jì)算中的不確定性及其量化算法 90
4.1 材料計(jì)算中的不確定性 90
4.2 參數(shù)不確定性量化——廣義多項(xiàng)式混沌與體積模量估測(cè) 90
4.2.1 廣義多項(xiàng)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(wèn)題——多元合金的互擴(kuò)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(guò)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(xiàn) 125
第5章 銻碲相變存儲(chǔ)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(chǔ)器與相變存儲(chǔ)材料 130
5.3 銻碲相變存儲(chǔ)材料最佳摻雜元素篩選 133
5.4 銻碲相變存儲(chǔ)材料最佳摻雜元素驗(yàn)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(yùn)性質(zhì) 140
5.4.3 非晶態(tài)熱穩(wěn)定性 144
參考文獻(xiàn) 150
第6章 釔銻碲高性能相變存儲(chǔ)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(chǔ)器集成與性能測(cè)試 156
6.3 釔銻碲多級(jí)相變存儲(chǔ)與相變機(jī)理 157
6.4 釔銻碲基高性能相變存儲(chǔ)器 165
參考文獻(xiàn) 167
第7章 多元材料的結(jié)構(gòu)搜索與阻變存儲(chǔ)材料設(shè)計(jì) 169
7.1 多組元阻變存儲(chǔ)材料簡(jiǎn)介 169
7.2 三元單層過(guò)渡金屬二硫化物的結(jié)構(gòu)與性質(zhì) 170
7.2.1 計(jì)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(dǎo)體-金屬轉(zhuǎn)變 180
7.3.1 引言 180
7.3.2 計(jì)算方法 180
7.3.3 基于團(tuán)簇展開(kāi)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(jì)算 182
7.3.5 MoS2-xOx結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)穩(wěn)定性 185
7.3.6 雙層MoS2-xOx的半導(dǎo)體-金屬轉(zhuǎn)變探究 187
7.3.7 SMT的電子尺度根源 190
7.4 團(tuán)簇展開(kāi)方法和遺傳算法的集成與應(yīng)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(shí)例應(yīng)用 196
參考文獻(xiàn) 198
第8章 超低熱導(dǎo)率與高熱電優(yōu)值材料的高通量第一性原理計(jì)算 200
8.1 超低熱導(dǎo)率新型Ⅳ-Ⅴ-Ⅵ族層狀半導(dǎo)體 200
8.1.1 研究背景與計(jì)算方法 200
8.1.2 結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性 201
8.1.3 晶格熱導(dǎo)率 203
8.1.4 低晶格熱導(dǎo)率機(jī)理 206
8.1.5 基于機(jī)器學(xué)習(xí)預(yù)測(cè)Ⅳ-Ⅴ-Ⅵ半導(dǎo)體熱電性能 212
8.1.6 電子結(jié)構(gòu) 218
8.1.7 熱電輸運(yùn)性質(zhì) 220
8.2 高通量篩選優(yōu)良高溫?zé)犭娦阅艿男滦徒饘傺趸��?224
8.2.1 研究背景和計(jì)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(dǎo)率篩選 228
8.2.5 候選氧化物的電輸運(yùn)性能 229
8.2.6 候選氧化物的熱輸運(yùn)性能 232
8.2.7 候選氧化物的品質(zhì)因子 235
參考文獻(xiàn) 236
第9章 新型功能半導(dǎo)體的理論設(shè)計(jì) 237
9.1 二維Janus磁性半導(dǎo)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(yīng)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(dǎo)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(yīng)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(dǎo)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(shí)驗(yàn)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(dǎo)體的高通量設(shè)計(jì) 269
9.4.1 研究背景與計(jì)算方法 269
9.4.2 原型晶體結(jié)構(gòu)與計(jì)算材料數(shù)據(jù)庫(kù) 270
9.4.3 高通量計(jì)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(xiàn) 280
第10章 硫系玻璃的第一性原理與分子動(dòng)力學(xué)模擬 281
10.1 相變存儲(chǔ)器及硫系玻璃的物理性質(zhì) 281
10.1.1 相變存儲(chǔ)器 281
10.1.2 硫系相變存儲(chǔ)材料 284
10.1.3 相變存儲(chǔ)機(jī)制 286
10.1.4 硫系選通管材料及閾值轉(zhuǎn)換機(jī)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(dòng)力學(xué) 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(dòng)力學(xué)模擬 299
10.3.1 非晶Ge-Sb-Te的局部結(jié)構(gòu)和動(dòng)力學(xué)模擬 299
10.3.2 非晶Sb-Te的局部結(jié)構(gòu)和動(dòng)力學(xué)模擬 309
10.3.3 非晶Ge-Sb的超快結(jié)晶機(jī)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(shè)計(jì)與材料改性 324
10.4.1 銻基相變材料模擬和設(shè)計(jì) 324
10.4.2 碳摻雜高穩(wěn)定相變存儲(chǔ)材料 330
10.4.3 鉻摻雜反常相變存儲(chǔ)材料 334
10.4.4 鉀摻雜多級(jí)相變存儲(chǔ)材料 338
10.5 硫系選通管材料的模擬設(shè)計(jì) 343
參考文獻(xiàn) 349
第11章 二維范德瓦耳斯異質(zhì)結(jié)的設(shè)計(jì)與應(yīng)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(lèi) 351
11.2 范德瓦耳斯異質(zhì)結(jié)集成計(jì)算與智能設(shè)計(jì) 352
11.2.1 高通量數(shù)據(jù)集成計(jì)算的發(fā)展 352
11.2.2 半經(jīng)驗(yàn)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(yáng)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(yáng)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(yáng)極 377
11.5.2 藍(lán)磷/MS2（M=Nb、Ta）異質(zhì)結(jié)鋰離子電池柔性陽(yáng)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(xiàn) 411
第12章 新型二維過(guò)渡金屬碳/氮化物的結(jié)構(gòu)與性能設(shè)計(jì) 412
12.1 新型二維過(guò)渡金屬碳/氮化物的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 412
12.1.1 研究背景與計(jì)算方法 412
12.1.2 MoxCy結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)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(shè)計(jì) 418
12.1.6 Janus結(jié)構(gòu)的電子性質(zhì) 420
12.2 新型二維過(guò)渡金屬碳化物在能源存儲(chǔ)中的應(yīng)用 422
12.2.1 研究背景與計(jì)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(kuò)散行為 425
12.2.4 二維MoxCy對(duì)Li/Na的理論比容量 426
12.2.5 二維MoxCy吸附Li/Na原子的開(kāi)路電壓 428
12.2.6 穩(wěn)定性和工作機(jī)制分析 428
12.3 二維過(guò)渡金屬碳化物電催化水分解和氧還原反應(yīng) 430
12.3.1 研究背景與計(jì)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(yīng) 434
12.3.4 析氧和氧還原反應(yīng) 438
12.4 新型二維過(guò)渡金屬碳化物在電催化氮還原中的應(yīng)用 443
12.4.1 研究背景與計(jì)算方法 443
12.4.2 N2的吸附和活化 444
12.4.3 NRR化學(xué)熱力學(xué) 446
12.4.4 NRR機(jī)制 449
12.5 二維過(guò)渡金屬氮化物Janus結(jié)構(gòu)光催化水分解反應(yīng) 451
12.5.1 研究背景與計(jì)算方法 451
12.5.2 電子性質(zhì)和能帶排列 453
12.5.3 光學(xué)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(yīng) 459
參考文獻(xiàn) 462