基於高通量計算篩選發掘新型光電半導體材料

2020-11-28 騰訊網

光電半導體材料可廣泛應用於電池、照明、傳感、探測等領域。考慮到當前的能源危機和源於傳統化石燃料的環境汙染問題，清潔高效、廉價易得的新型光電半導體材料亟待發現。相對於成本昂貴、周期長的傳統實驗試錯法，以高通量計算為核心的功能材料篩選技術，隨著理論研究的完善以及計算機算力的提升，已成功應用於光電材料研發領域，為實驗提供可靠的理論指導，極大地縮短研發周期，降低了研發成本。

在這篇綜述裡，來自吉林大學的張立軍教授課題組總結了高通量計算方法在發掘新型光電半導體材料中的應用，包括光伏材料、光電化學材料、發光二極體材料以及透明導體材料等。文章中還收集整理了現有開源高通量計算軟體包及材料結構和性質資料庫，並介紹了一種通用的高通量計算篩選新型光電半導體材料的研究模型。

作者首先介紹了高通量計算應用於篩選新型半導體光電材料的基本流程。主要分為五個步驟：（1）搜索現有的材料結構與性質資料庫,或基於結構原型做化學元素替換，或通過結構預測，構建待篩選的結構數據集。（2）對材料的熱力學穩定性能進行評估；（3）對（2）中篩選的熱力學穩定的材料，低精度地計算主要的電子結構和光學性質；（4）利用高精度的計算方法，對（3）中得到的材料做進一步的性能篩選；（5）根據不同的應用需求，加入其它的限定條件以篩選得到理想的光電材料。在實際應用中，高通量計算方法已經在探索不同領域的新型半導體光電材料中展現出了巨大的能量。

在光伏材料中，高通量計算可以高效準確地評估材料的光電性質，如帶隙值、載流子輸運性質以及光吸收係數，並從大量的虛擬材料中篩選出理想的光吸收層材料。基於給定的結構原型或化學配比，對ABX3型滷化物鈣鈦礦和含錫硫屬化合物等進行元素替換和物理性質的計算，可實現在已報導材料的基礎上對潛在的光伏材料的全空間搜索。

在光電化學材料領域,高通量計算可以根據設定的篩選條件,高效準確地找到光吸收能力強,帶隙合適,載流子輸運性質良好的材料用作光電化學半導體。這類材料既可作為光電電極材料將太陽能轉化為電能，又可以作為光電催化劑促進氧化還原反應和水分解。基於高通量技術，將元素的易得程度、熱力學穩定性、帶隙值以及本徵缺陷性質作為篩選條件，可從現有的資料庫中數萬個晶體材料中得到幾十個新型半導體應用為光電化學材料。

不同於上述兩種材料，發光二極體中，激發的電子會和空穴重新結合來釋放光子。而二極體發光的顏色取決於激發層所吸收的光子的頻率。因此，用於製作發光二極體的材料需要具有較強的激子結合能，以及合適的或可調節的帶隙。基於第一性原理的高通量計算技術結合機器學習算法，可以更高效地從候選材料中篩選出性能優越的半導體用於發光二極體的激發層。

透明導電材料，同時具有優異的導電性和較好的透光性，因此作為光電能源材料和光電信息材料被應用。透光性源於材料的寬帶隙。另外，透明導電材料還需要良好的摻雜性能，以適用於不同光電器件。通過高通量計算技術，科學家能更系統高效地研究不同的摻雜方式及摻雜物質對透明導電材料各種光電性質的影響。通過設定合適的高通量篩選條件，科學家們實現了從資料庫中發現了摻雜Li的Cr2MnO4可用作透明導電材料。

從以上應用中，我們可以看到，高通量計算可以有效地進行新型半導體光電材料的設計和篩選，極大地降低後續實驗合成的成本，並且可以探索結構-性質之間的關聯性，為後續的實驗工作提供可靠的理論指導。

相關文章以「High-throughput computational materials screening and discovery of optoelectronic semiconductors」為題，發表在WIREs Comput. Mol. Sci.(DOI: 10.1002/wcms.1489)上，文章第一作者為吉林大學材料科學與工程學院羅樹林博士。

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