水相多酸的理论分析

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由于描述所有化学平衡的高度复杂性，多酸在水溶液中的自组装问题，仍然是一个需要研究的课题。实验技术在这一问题的研究上取得了巨大的成功，但还需要更多的努力来促进这些金属氧化物在材料科学中的应用（详见综述）。去年，ICIQ的研究人员开发了一种名为POMSimulator的模拟器，用于描述小钼团簇的水相形态。 为了充分再现钼和钨氧化物的水相形态，今年代码得到进一步扩展，对122种金属氧化物结构进行了优化，并用ADF计算了它们的解析频率。结果被传递给POMSimulator，该模拟器预测了所考虑的所有多金属氧酸盐的平衡常数。理论常数与实验常数呈线性关系，表明ADF的自由能可以直接重新标度。 参考文献： [1] Petrus, E.; Segado, M.; Bo, C. Nucleation Mechanisms and Speciation of Metal Oxide Clusters, Chemical Science 2020, 11, 8448 [2] Petrus, E.; Bo, C. Unlocking Phase Diagrams for Molybdenum and Tungsten Nanoclusters and Prediction of Their Formation Constants, J. Phys. Chem. A 2021, 125, 5212

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金和银纳米团簇的光学和光致发光特性

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目前的研究已经证明，银和金纳米团簇具有高效、稳定的光学与发射特性，并可通过改变其的几何构型与电子结构进行有效调节。对尺寸、形状、表面配体、电荷状态等方面的依赖性，使得这些纳米团簇应用于从生物成像到催化等广泛领域。借助量子化学方法，诸如如DFT、TDDFT和TDDFT+TB，能够从理论层面阐明其特定性质的物理根源。 在最近的一篇论文中，作者使用ADF中的TDDFT方法研究了Au14Cd(S-Adm)12的激发态势能面，从几何结构与电子态角度，阐释了实验上观察到的双发射的机理。两个发射极小值都被确定到第一电子激发态，发射间隔为0.24 eV。 Ag29(BDT)12−x(DHLA)x NCs (x = 1−6, 12)是纳米团簇发光的另一个例子，其光学性质随着配体改变（BDT改为DHLA）而改变。作者通过DFT计算，除了预测了完全取代的Ag29(DHLA)12的几何结构，还发现虽然在BP86/DZ理论水平上的TDDFT计算与实验结果相比有所低估，但使用长程修正泛函计算表明，光致发光机制可能主要由金属-金属转变产生。 在这两项研究目中，TDDFT+TB为这些纳米团簇光学性质的计算发挥了强大作用，以非常低的计算成本复现了从TDDFT获得的光谱。总之，这两篇文章概述了一种理论方法，用于理解纳米团簇与光之间的辐射相互作用，导致的几何结构和电子差异。 参考文献： [1] S. Havenridge, C. M. Aikens, Deciphering the Dual Emission in the Photoluminescence of Au14Cd(SR)12: A Theoretical Study using TDDFT and TDDFT+TB J. Chem. Phys. 155, 074302 (2021) [2] Y. Zeng, S. Havenridge, M. Gharib, A. Baksi, K. L. D. M. Weerawardene, A. R. Ziefub, C. Strelow, C. Rehbock, […]

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AMS在电池材料模拟与设计中的应用

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概述 理论计算模拟能够非常有效地辅助电池候选材料筛选、理解材料与性质之间的关系，对缩短研发时间、降低研发成本，发挥着越来越重要的作用。AMS 包含 DFT、DFTB、ForceField 等尺度级别的原子级材料模拟方法，宏观流体热力学性质预测，以及大量材料学模型构建和性质分析模块，特别适合分析如电池材料等复杂材料体系的性质。AMS 在研究电池材料方面有如下功能特点： 材料模型与数据库 晶体、缺陷、表面、界面等建模工具 内置数据库中导入结构模型，以及外部数据库数据读入 复杂材料模型 随机均相、非均相混合物 交联聚合物材料的聚合反应与交联率 聚合物力学性质分析 电池材料的电荷迁移、扩散、粘度预测：ReaxFF，Apple&P，DFTB 电解质的溶解度和电化学性质： 通过ADF、COSMO-RS精确计算氧化还原势、电离能 COSMO-RS预测溶解度 eReaxFF模拟电解质的降解 充放电过程模拟：基于ReaxFF或DFTB，进行巨正则系综蒙特卡洛模拟 阴极的膨胀 电压下降-Li浓度关系 扩散诱导应力 计算分子材料的核磁共振谱与NEXAFS性质 一维聚合物材料带隙筛选 模拟工具介绍 ReaxFF反应分子动力学，包含电池相关的多种力场 ChemtraYzer：自动生成化学反应路径、分析表面化学反应、统计产物数量变化、反应速率 TNEMD：热传导模拟 Molecule Gun：表面分子沉积模拟 Bond Boost：生成聚合物 支持用户使用MCFF、CMA-ES、ParAMS等方法自建、优化力场 eReaxFF：电子作为基本粒子参与化学反应的分子动力学模拟 GCMC：巨正则系综蒙特卡洛模拟，加速化学反应过程 Apple&P极化力场，模拟带电体系，如电解质（例如电池中的电荷迁移率）、离子液体、燃料电池膜等 方便地通过GUI模拟离子扩散、放电过程电压特性、材料分解、固态电解质界面形成、溶剂化与反应 密度泛函理论（DFT） 使用杂化泛函（ HSE06、HSE03），更精确的计算电子结构，结合能和扩散势垒 对大体系计算，与平面波基组相比，使用 LCAO 基组可将速度大大提高倍，从而实现高效的大规模模拟 使用色散修正泛函，更精确的模拟结合能，找到吸附位点 基于DFT与COSMO-RS计算精确氧化还原电位 基于DFT的键能分解分析（EDA）深刻理解分子间的相互作用 比平面波方法高效的Slab模型 特别适合研究表面吸附，以及在电场情况下的表面物理化学性质 基于键能分解分析pEDA，分析表面成键 研究案例和发表文章 eReaxFF研究电子迁移和锂离子的还原(J. Electrochem. Soc. 169 ,110540, […]

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【QuantumATK亮点文章】半导体硅烯：一种具有蜂窝-笼目杂化晶格的二维硅同素异形体（ACS Materials Lett. 2021）

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概述 近年来，以 MoS2、黑磷、Be2O2Se、InSe 为代表的二维半导体材料不断涌现，成为新一代电子器件的重要候选材料。然而，目前这些二维半导体材料都面临一个共同挑战，即与硅基半导体工艺的兼容性问题。虽然早在 2012 年即已发现的硅烯（silicene）被寄予厚望，但是原始硅烯是一种准零带隙的半金属，无法直接应用于半导体器件中。山东大学陈杰智教授团队从晶格拓扑结构入手，通过理论分析和计算提出了一种具有优异本征半导体特性的新型二维硅烯材料。该研究从晶格拓扑结构的角度为二维硅烯半导体材料设计提供了一个全新的思路。 研究工作 作者在二维蜂窝（honeycomb）晶格中引入笼目（kagome）晶格成分，设计了一种蜂窝-笼目杂化（hybrid honeycomb-kagome 简称 hhk) 的晶格拓扑结构。第一性原理计算证实了这种蜂窝-笼目杂化硅烯（hhk-silicene）在室温下具有高度的几何稳定性和热力学稳定性。此外，DFT 计算结果表明 hhk-silicene 是一种典型的本征半导体材料，具有 1.18 eV 的间接带隙以及很高的电子迁移率。当考虑全声子散射时，电子迁移率在室温下可达 360 cm2/Vs；而当抑制了面外晶格振动时（实验上可通过衬底或夹持效应实现），电子迁移率将高达 103-104 cm2/Vs，与在同等条件下蜂窝硅烯的电子迁移率相当。 此外，作者构建了 5 nm 沟道长度的 hhk-silicene 场效应晶体管，并采用 DFT-NEGF 方法模拟了器件的输出及转移特性。器件的输出特性表现出显著的负微分电阻效应，其电流峰谷比（PVR）可高达 106，且峰值电流可达 1774 μA/μm。这一效应主要源于 hhk-silicene 受限于笼目拓扑成分而形成的相对孤立的导带结构。器件的转移特性显示出出色的栅控能力，其开态电流可以很好地满足 ITRS（国际半导体技术蓝图）对 5 nm 高性能器件的要求。此外，与其他多种常见二维半导体晶体管相比，hhk-silicene 晶体管在开态电流和动态功耗方面均表现出了较强的竞争力，充分表明 hhk-silicene 在半导体器件应用方面具有巨大潜力。 参考 Pengpeng Sang （桑鹏鹏）, Qianwen Wang（汪倩文）, Wei Wei（魏巍）, Fei Wang（王菲）, Yuan Li（李元）*and Jiezhi […]

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配位不饱和Cu位点的精准合成及其在氯乙烯单体合成中的催化行为研究(ACS Catal. 2021)

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全球氯碱行业中，基于传统的电石法氯乙烯合成工艺开发一种高性能的、绿色的、可持续的非汞基非贵金属催化剂进程被严重掣肘。浙江工业大学李小年教授、赵佳副研究员团队基于非贵金属铜（Cu）基催化剂催化活性低、选择性差、寿命短等核心问题，通过一种简单的热活化工艺制备出一系列具有不同配位环境及空间限域特征的单原子Cu催化剂。通过基元反应路径的调控，借助动力学和理论模拟计算相结合的方式，对高催化性能触发背后的潜在机制进行揭示，并在此基础上探究了以Cu为代表的非贵金属催化剂在现有氯乙烯合成工艺中的适配机制。该研究对氯乙烯合成非贵金属催化剂的工业化应用具有显著的推进作用。 在本项工作理论模拟研究中，借助AMS软件BAND模块考察反应过程中反应物在单原子Cu位点上的吸附姿态和吸附结构并结合Hirshfeld电荷分析量化反应条件下Cu位点的电子态演变，从原子水平上揭示了乙炔的预先活化对高活性诱导的关键。进一步，在现有工业化工艺适配性研究中发现，具有较大的｜Eads (C2H2)-Eads(VCM)｜差分吸附能往往会使Cu催化剂表现出更强的乙炔活化能力，尤其是在氯乙烯富集、含硫气体杂质的影响下。除了乙炔氢氯化反应以外，本文的Cu原子反应性研究方法在其它卤化反应中可能具有潜在的应用，并为广泛催化应用中金属物种的可控调节提供了一种新的策略。 相关成果发表在：Wang B,; Jiang, Z.; Wang, T.; Tang, Q.; Yu, M.; Feng, T.; Tian, M.; Chang, R.; Yue, Y.; Pan, Z.; Zhao, J.;* Li, X.*. Controllable Synthesis of Vacancy-Defect Cu Site and Its Catalysis for the Manufacture of Vinyl Chloride Monomer. ACS Catal. 2021, 11, 11016-11028 原文见：https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acscatal.1c01921 相关研究可以参阅以下工作： [1] Zhao, J.; Wang, S.; Wang, B.; Yue, Y.; […]

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有机半导体介电常数：平面度和共轭长度的影响(ADV FUNCT MATER 2021)

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体异质结有机太阳能电池的光电转换效率虽仍在稳步提高，然而单组分有机太阳能电池器件制造相对简单，因此也是特别有吸引力的一个方向。有人提出，有机半导体具有高介电常数(≈10) 在光激发下能产生自发的自由载流子。本文探讨了影响有机半导体介电常数的因素，特别是光学频率介电常数。对两类等电子材料的单体、二聚体和三聚体的性质进行了比较，它们的受体单元由一个或两个双氰基苯并噻二唑部分和一到三个供体单元组成。供体组分由具有相同乙二醇基增溶基团的芴或环戊联噻吩部分组成。研究发现，发色团的平面度和取向度以及薄膜密度都会影响材料的光电性能，尤其是高频介电常数。结果还表明，最高占据轨道和最低未占据轨道的离域化是一个关键因素。发现含有两个双氰基苯并噻二唑组分和两个二硫环戊二烯单元的二聚体的光学频率介电常数最高，总体性能最佳。 参考文献： Wei Jiang, Hui Jin, Mohammad Babazadeh, Alex S. Loch, Aaron Raynor, Neil Mallo, David M. Huang, Xuechen Jiao, Wen Liang Tan, Christopher R. McNeill, Paul L. Burn, Paul E. Shaw, Dielectric Constant Engineering of Organic Semiconductors: Effect of Planarity and Conjugation Length, ADV FUNCT MATER, 2021

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Cu掺杂对提高Fe2O3载氧体在煤化学链气化过程中反应性作用的探究(Fuel 2021)

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研究内容 本文基于煤化学链气化技术中高效载氧体优化设计的核心问题展开研究，主要针对Fe基载氧体反应性低的问题，通过掺杂引入活性组分Cu的策略来提升其反应性，借助实验和理论模拟计算相结合的方式，对反应性提升背后潜在的反应机理进行深入剖析（关于Cu-Fe载氧体反应机理的研究相对较少），为Cu-Fe高效载氧体的设计和优化提供基础研究。该研究工作对煤化学链气化技术工业化应用具有显著的推进作用。 要点1 通过机械混合-煅烧法制备了一些列CuO/Fe2O3复合载氧体（n(CuO)/n(Fe2O3) = 0.2–1.8=M）。在间歇流化床完成CuO/Fe2O3载氧体-煤化学链气化实验，如图1所示。结果表明：当M≤1时，煤转化速率、合成气产率、冷煤气效率和合成气中H2含量均随着M增大，载氧体与煤气化的性能逐渐优化；然而，当M＞1时，煤转化速率、合成气产率、冷煤气效率和合成气中H2含量均随着M增大，载氧体与煤气化性能逐渐减弱。针对气化实验结果，我们对CuO/Fe2O3载氧体进行了XRD和DES-mapping表征，如图2和3所示。结果表明：CuO/Fe2O3载氧体中Cu、Fe元素分布均匀，但随着Cu含量不同（即M增大），载氧体晶相结构发生了显著变化，晶相变化过程如图4所示，主要是CuxFe3-xO4晶相的形成。表明CuO/Fe2O3载氧体-煤化学链气化性能逐渐优化的主要原因是Cu 组分进入到Fe2O3晶格中逐渐形成CuxFe3-xO4晶相所致。   要点2 基于气化实验结果，我们对CuxFe3-xO4载氧体表面H2的氧化反应机理进行研究。借助AMS软件中BAND模块完成了过渡态理论的周期性体系DFT计算，如图5所示。结果表明：Cu掺杂不仅改变了Fe2O3载氧体表面H2的吸附性和反应热，并且过渡态理论分析表明：Cu掺杂改变了Fe2O3载氧体表面H2的反应路径，明显降低了反应能垒，使Fe2O3载氧体在煤化学链气化过程反应性显著增强，从微观角度阐释了Cu掺杂是Fe2O3载氧体反应增强的主要原因，如图6所示。该研究将对Fe基载氧体的优化设计提供基础指导。 相关成果发表在：Mei An, Nini Yuan, Qingjie Guo. Analysis of the role of Cu for improving the reactivity of Cu-modified Fe2O3 oxygen carriers in the chemical looping gasification process with coal. Fuel. 2021.305(2021) 121619 原文见：https://doi.org/10.1016/j.fuel.2021.121619 相关研究可参阅以下工作： 袁妮妮, 白红存, 安梅, 胡修德,郭庆杰.化学链过程中Cu低浓度掺杂改性Fe-基载氧体反应性:实验与理论模拟. 化工学报. 2020, 71(11): 5290-5298. Nini Yuan, Hongcun Bai, Mei An, […]

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拓展杂化泛函在固体与器件模拟中的应用范围

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概述 此前的 QuantumATK 版本中已经实现了基于 LCAO 基组的 HSE06 杂化泛函计算。与平面波基组相比，使用 LCAO 基组可将速度提高 100 倍，从而实现高效的大规模模拟。有关基于 LCAO 基组的杂化泛函计算的速度优势以及在半导体材料和异质结构中的应用，请参见： 超快的HSE杂化泛函计算 在此基础上，最新版本（2021.06）进一步优化和改进了 HSE06-LCAO 算法，实现了HSE06-DDH方法，并扩展了 HSE06-LCAO 的应用范围： 实现了自旋极化、自旋非共线和自旋-轨道耦合计算； 实现晶格张力计算，可以用于结构优化； 默认应用于 k 点采样的 Born-von Karman 边界条件可以大大减少内存消耗； 可以在 GUI 上调节 HSE06 的屏蔽距离和精确交换作用比例系数 alpha； 实现 HSE06-NEGF 计算，可以更好的模拟能带排列图和器件的伏安特性。 最新的版本（2021.06）中又新增加了 PBE0，B3LYP，B3LYP5 等杂化泛函，可以更精确的计算电子结构，结合能和扩散势垒等。 介电依赖的杂化泛函（HSE06-DDH） 基于 LCAO 基组的介电依赖杂化泛函（HSE06-DDH），用于快速和高精度地模拟复杂半导体材料、界面，以及由具有不同带隙的多层组成栅极堆叠结构的电子特性（例如先进半导体逻辑电路的 HKMG 堆叠）。 R-2020.09 版本引入的 HSE06-LCAO 使用固定的精确交换作用比例系数（alpha=0.25），这对低带隙的材料可以给出很好的带隙；新实现的HSE06-DDH 改进了这个方法，采用与材料有关的 alpha 值，这样可以对更广泛的材料给出更好的带隙； HSE06-DDH 对精确模拟界面和栅极堆叠结构的电子态非常重要； […]

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棒状银超级团簇稳定性和光学性能的理论研究(JACS 2021)

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由一个、两个和三个二十面体Au13单元共顶点组成的具有明确结构的棒状金纳米团簇引起了人们的广泛关注，然而目前尚未有相关多单元银超级团簇及更长的金属超级团簇的报道。南方科技大学许聪俏副研究员与清华大学王泉明教授课题组合作，报道了一例具有明确结构的最长的棒状银超级团簇，其中理论研究通过AMS软件中ADF模块进行量子化学计算，采用PBE泛函和ZORA标量相对论方法进行结构优化及电子结构分析，并且使用含时密度泛函理论模拟团簇的紫外可见吸收光谱及光学性能。 金银团簇中常见的由十三个原子组成的二十面体单元具有8电子构型，且目前发现的由该单元构建的一维共顶点棒状金超级团簇均满足Mingos规则，具有8n个价电子(n为二十面体单元个数)。然而，本研究中发现的由四个Ag13单元构成的棒状Ag61团簇含30个价电子，不满足Mingos规则。理论研究表明，各单元间强的相互作用导致其分子轨道中的强反键轨道失去两个电子而形成空轨道，且与棒状金超级团簇不同，银单元之间，尤其是棒状结构的中间两个单元之间，存在强的电子耦合作用。我们发现，Ag61团簇的稳定性高度依赖于二十面体单元的 8e 电子构型、二十面体单元之间的相互作用以及配体的稳定化作用。此外，该一维棒状银超级团簇的高吸光度主要来源于由二十面体单元构成的银骨架形成的金属轨道与配体轨道之间的电子跃迁，且其强吸收强度由其高纵横比导致的强纵向吸收决定。   参考文献： Rod-Shaped Silver Supercluster Unveiling Strong Electron Coupling between Substituent Icosahedral Units Shang-Fu Yuan, Cong-Qiao Xu*, Wen-Di Liu, Jing-Xuan Zhang, Jun Li, and Quan-Ming Wang*, Rod-Shaped Silver Supercluster Unveiling Strong Electron Coupling between Substituent Icosahedral Units, DOI: 10.1021/jacs.1c05283   感谢许聪俏老师课题组供稿

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机器学习力场ML-MTPs与流程自动化

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概述 传统的力场往往受到其函数形式的限制，只能精确地描述相空间的一小部分。当研究对象包含复杂的材料或界面时，往往缺乏有效的力场形式和参数，通常的做法是通过将各种简单体系计算得来的经验势拼凑在一起。这样做不仅复杂、耗时，更重要的是，对于非晶结构和不同材料之间的界面等复杂体系常常会导致很大的误差。 基于机器学习的 Moment Tensor Potential（ML-MTPs）使用一组从头算的数据集进行模型训练，得到的力场参数可以用于模拟复杂的、多元素的晶体、非晶、液晶、界面、缺陷和掺杂等实际体系，计算精度接近从头算，计算速度却可以比从头算快数百到上千倍。 ML-MTPs的优势 相较于其他机器学习力场，ML-MTPs有多种优势： 描述符可以有效的描述多体效应 描述符不需要高度复杂和计算耗时的 ML 算法 训练集可以在不损伤精度的情况下扩增，不需要进行数据清洗 应用 MTPs 力场可以高精度、快速的计算原子间相互作用（能量、力、张力），进行分子动力学、结构优化和 NEB 模拟； 加速的 MD 方法包括可以对罕见事件采样、研究慢速机制的 fbMC等 模拟实际的、复杂的多元素晶体、无定形材料、界面，缺陷和杂质的迁移势垒、热输运、结晶过程等 精度与速度 使用力场进行计算比 DFT 快 100~1000 倍 MTP是目前市面上最精确和高效的 ML 力场 与从头算精度几乎一致，特别适合没有传统力场或需要更高精度的情况 自动化流程 MTPs 使用不同材料、元素的代表性结构的从头算结果数据集进行训练 QuantumATK 包含自动化的流程框架（Study Object 脚本），完成对力场模型的训练、模拟、验证，用户可以自行扩展和开发适用于新材料的 MTPs 力场 主动学习 MTP 可以在分子动力学（MD）模拟过程中自动增加 DFT 训练集 有助于更好的获得（高温条件下）无定形材料、液体的结构 使用delta方法可以扩展MTP（将多种MTPs叠加使用），用于更复杂的多层体系：训练MTP使得可以不损伤已有材料MTPs精度的前提下添加新的材料层。 参考 更强大、更灵活的材料动力学模拟工具 ForceField：QuantumATK的经验力场计算引擎 更多QuantumATK 最新版本的功能更新 QuantumATK […]

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  • 面向亚 5 nm MOSFET 的 Si 兼容高性能二维纳电子器件研究背景 随着集成电路器件尺寸持续向亚 5 nm 尺度推进，传统硅基 MOSFET 在短沟道效应、量子隧穿及功耗控制等方面面临严重瓶颈，难以满足未来高性能与低功耗芯片的发展需求。如何在极限尺度下实现高驱动电流、低泄漏及良好的栅控能力，并能够与现有硅基工艺相兼容，有效利用现有器件制造技术，成为下一代晶体管研究和应用亟须解决的关键问题。 研究内容 该研究针对超短沟道 MOSFET 性能提升这一核心问题，基于一类具有硅基工艺高度兼容性的二维单层材料 MNH2（M N = C Si Ge），在保证高载流子输运能力的同时实现与现有工艺体系的良好兼容，为器件实际应用提供基础。该工作系统地开展了器件物理与量子输运研究，并构建适用于亚 5 nm 尺度的双栅 MOSFET 模型，深入分析其输运特性与性能极限。 [...]
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