北航理论计算JACS：高性能光电半导体的高通量设计

注：文末有研究团队简介及本文科研思路分析

研发具有目标功能的新材料对科技发展和工业应用具有至关重要的意义，但目前新材料的探索依然充满挑战，故亟需发展高效新策略来研发新材料。近日，北京航空航天大学孙志梅教授（点击查看介绍）团队通过对晶体结构对称性的系统分析，提出了一种结合晶体学群论关系和高通量计算的材料设计新思路，并用此方法成功预测了多种高性能光电半导体新材料。

众所周知，传统的实验试错法周期长且成本高，这极大的限制了新材料的研发效率。近年来，随着高性能计算的快速发展，数据驱动的高通量第一性原理计算已成为加速材料研发的新模式，并广泛应用于光电、信息、能源等新型功能材料探索中。然而，目前的高通量计算和机器学习严重依赖已有的材料数据库（包括实验合成或理论预测的晶体），故对未知材料空间的有效探索还相对匮乏。针对以上难点，北京航空航天大学团队提出了基于群论分析和高通量计算的材料设计新策略。

在晶态固体中，可通过对结构对称性的群论分析而无需进行复杂的计算或实验来确定晶体的许多物理性质。但群论只提供了关于晶体是否具有某种特定性质的定性信息，并无法定量地描述该性质相关物理量的大小，而这可通过第一性原理计算来弥补。重要的是，可以根据群-子群关系对已知的高对称性晶体进行对称简约来生成所有与其对称性相关的原型结构。通过结合高通量计算筛选，可实现对新材料空间的高效探索。该团队应用此策略成功的发现了大量用于太阳能电池的新型高性能光电半导体。首先，选择了在体材料中具有高对称性的Pm-3m空间群作为母群，以最大化的得到与其对称性相关的子群（203个空间群）；然后，通过对化学组分、原胞原子数及配位结构这三个任意性限制条件进行筛选，发展了78个具有相应空间子群的晶体原型结构；随后，在这些原型结构中进行化学元素替换得到了21060个三元硫族化合物，作为后续高通量筛选的初始材料数据库；最后，基于对能量、电子结构、相稳定性的高通量第一性原理计算筛选获得了97个潜在的候选半导体。

图1. 基于群-子群关系发展对称性关联的原型结构和高通量计算筛选初始材料数据库。

最终，作者发现了22个半导体具有优异结构稳定性、合适电子带隙、极小带隙差、高光吸收率，这使它们的理论光电转换效率超过了30%，可与目前最高效的单结 GaAs 太阳能电池相媲美。该论文发现的新型晶体将成为未来实验研究和光电应用的极佳候选材料。更重要的是，所提出的材料设计方法为发现未知的各类高性能功能晶体开辟了一条新思路。

图2. 高通量计算筛选得到的候选半导体的光伏性能评估。

这一成果发表在Journal of the American Chemical Society 上，文章的第一作者是北京航空航天大学博士研究生甘宇，通讯作者为缪奶华副教授和孙志梅教授。

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Robust Design of High-Performance Optoelectronic Chalcogenide Crystals from High-Throughput Computation

Yu Gan, Naihua Miao*, Penghua Lan, Jian Zhou, Stephen R. Elliott, and Zhimei Sun*

J. Am. Chem. Soc., 2022, DOI: 10.1021/jacs.1c12620

研究团队简介

缪奶华，北京航空航天大学副教授、博士生导师，于 2015 年获得比利时列日大学物理学博士学位，并入选北航“卓越百人”计划和青年拔尖人才计划。长期从事基于第一原理计算和分子动力学模拟的新材料设计及物性预测，相关工作发表在 JACS, Nano Lett., Nanoscale Horiz., ACS Nano, AFM, AEM, Nano Energy, JPCL, APL等杂志上，并担任 Phys. Rev. Lett.等期刊审稿人。主持包括国家自然科学基金青年科学基金和面上项目等国家和省部级项目。

孙志梅，教育部长江学者特聘教授，国家杰出青年基金获得者，入选国家百千万人才工程、全国三八红旗手等。长期从事材料电子结构计算和分子动力学模拟研究及相关实验，在半导体材料和高性能结构材料的结构与性能研究中取得了显著成绩，在PNAS, Phys. Rev. Lett.，JACS，Nano Lett.，ACS Nano，Nano Energy, JMCA, APL，PRB，Acta. Mater.等SCI期刊上发表论文200余篇。主持国家重点研发计划《材料基因工程关键技术与支撑平台》重点项目等多项国家和省部级项目。

https://www.x-mol.com/university/faculty/17196 

近年该团队在材料理论计算等方面的相关文章推荐：

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Tian Zhang et.al., J. Mater. Chem. A, 2021, 9 (1), 433-441.

Qifan Chen et.al, ACS Appl. Mater. Interfaces, 2020, 12 (40), 45184-45191.

Bikun Zhang et.al, J. Mater. Chem. A, 2020, 8, 23947-23954.

Yadong Yu et.al, Adv. Funct. Mater., 2020, 30, 2000570.

Yongda Huang et.al, J. Am. Chem. Soc., 2019, 141, 21, 8503-8508.

Jingyun Jiao et.al, J. Phys. Chem. Lett., 2019, 10 (14), 3922-3928.

Naihua Miao et.al., J. Am. Chem. Soc., 2018, 140 (7), pp 2417–2420. 

Zhen Li et.al., Nano Energy, 43, 2018, 285-290.

Naihua Miao et.al., J. Am. Chem. Soc., 2017, 139 (32), pp 11125–11131.

Zhonglu Guo et.al., J. Mater. Chem. A, 2017, 5 (45), 23530-23535.

Chen Si et.al., Nano Lett., 2016, 16 (10), pp 6584–6591.

Zhonglu Guo et.al., J. Mater. Chem. A, 2016,  4, 11446-11452. 

Chen Si et.al., ACS Appl. Mater. Interfaces, 2015, 7 (31), 17510–17515.

科研思路分析

Q：这项研究最初是什么目的？或者说想法是怎么产生的？

A：本研究的目的是探索一种高效的高通量材料设计新策略来发现新型光电半导体材料。我们基于对目前高性能光电半导体的晶体结构和对称性分析，发现一个共同的特点，即它们的空间群具有对称性关联性。受此启发，群-子群理论可用于设计和发现多种空间群各异但对称性相关的新型光伏材料，而不局限于以往研究所聚焦的高对称性/轻微扭曲的晶体结构。在此研究中，为了最大限度地进行这种探索，选择了空间群Pm-3m作为母群。因为它在体相晶体中具有高对称性，从而可以推导出最大数量的空间群子群。

Q：研究过程中遇到哪些挑战？

A：本研究最大的难点在于想法，如何将群论应用于新材料的设计与发现中。在这个过程中，我们通过广泛的阅读文献、进行总结、发现规律，最终提出了结合群论和高通量计算的这个稳健的材料设计新策略。

Q：该研究成果可能有哪些重要的应用？哪些领域的企业或研究机构可能从该成果中获得帮助？

A：首先，该研究发现的新型高性能光伏半导体材料将成为未来实验研究和太阳能电池应用的极佳候选材料。更重要的是，本研究提出的这种材料设计方法为探索各类新型功能晶体材料提供了新思路。