新技术！科学家利用超级计算机预测复杂混合材料的电学和光学特性

层状杂化钙钛矿的分子结构。利用新的计算模型，研究人员可以改变夹层有机链的长度以及无机结构的元素，并预测所产生的材料的电子特性

杜克大学的材料科学家们通过计算方法预测了由夹杂在无机结构之间的有机分子而制成的新型半导体材料的电学和光学特性。

这类所谓的层状“混合有机-无机复合钙钛矿”（HOIPs）主要应用于诸如太阳能电池和发光二极管（LED）等光基器件领域内。如果能够精确建立这些材料的原子模型，将会有利于研究人员研发出用于新一代设备的先进材料。10月4日，杂志《物理评论快报》“ Physical Review Letters”刊登了他们这一项最新的研究成果。

杜克大学的机械工程和材料科学教授David Mitzi说：“在理想条件下，我们希望能够独立地控制这些材料的有机和无机成分，并创造出具有新的、可预测性能的半导体。这项研究表明我们能够通过复杂的超级计算机来模拟匹配和解释这些材料的实验性质，这是个相当令人兴奋的消息。”

HOIPs材料是一种很有前景的材料，因为这种材料有机和无机部分层间结合强度非常好。有机材料具有更加理想的光学性质和可弯曲性，但在传输电荷方面可能是无效的。另一方面，无机结构通常导电性好，可以提供更坚固的机械强度。

一般情况下，将这两个部分结合在一起，既可以影响它们各自的特性，又可以同时创造出两全其美的混合材料。然而，理解这种相互作用的电子和原子尺度上的结果是极具挑战性的，因为这种结合可能会导致产生的晶体或薄膜在结构上具有复杂性。但是，由于这些特殊的HOIPs材料在有序层中的具有有机和无机成分，所以它们的结构更容易建模，并且现在研究人员开始成功地在原子尺度水平上计算预测它们的性能。

杜克大学机械工程、材料科学与化学副教授Volker Blum说：“我们使用的计算方法很少应用于这种尺寸的结构。我们在10年前不可能做到这一点。即使在现在，如果没有世界上最快的超级计算机横空出世，那这项工作也是不可能完成的。”

Theta超级计算机的计算速度目前在世界上排名21，现存放在阿贡国家实验室。这个科研小组通过Blum教授的帮助下争取到了十几个Theta早期科学项目中的一个，从而拥有足够时间利用和钻研这台庞然大物。他们希望在2017年末，可以为其他一些应用程序能够首次在系统上成功运行做好准备。而且他们现在是由美国能源部资助下的著名“创新和新型计算对理论和实验的影响”奖(INCITE) 的共同获得者，以激励他们能够继续在所属的研究领域取得更多成果。

在这项新的研究中，来自Blum实验室的研究生Chi Liu，北卡罗来纳大学教堂山分校的科学家Yosuke Kanai，以及阿贡国家实验室的科学家Alvaro Vazquez-Mayagoitia，他们三位使用Theta的计算能力来模拟十年前由Mitzi 合成的一种层状HOIP材料中的电子状态。虽然这种材料的电学和光学性质是众所周知的，但它们形成背后的物理原理一直存在着争议。这个小组现在已经成功完成了这个课题研究。

在一系列计算模型中，研究小组计算HOIP的组成材料，即有机双(氨乙基)-四硫代苯(AE4T)和无机溴化铅(PbBr4)的电子态并确定了它们的价带和导电带。这些性质决定了电子如何穿过这两种材料并在它们之间移动，而且还决定了它吸收和发射光的波长和能量以及一些诸如导电性等重要的性质。

最终结果表明，该团队的计算与实验观测结果吻合。这就证明该计算能够准确地模拟材料的行为。

Liu接着进一步调整材料，他改变有机分子链的长度并用氯或碘代替无机结构中的溴，再进行额外的计算。在实验方面，Mitzi教授和Wei You教授（北卡罗来纳大学教堂山分校的化学和应用物理学教授），正一起致力于整合这些实验变量以进一步验证他们同事的理论模型。

这项工作还是一个名为 HybriD3大型项目的一部分，这个项目的研究重点在于发现并微调新的功能性半导体材料。这项合作共包括六个研究小组。北卡罗来纳州立大学的Kenan Gundogdu教授和Franky So教授加入了杜克大学和北卡罗来纳大学教堂山分校的研究人员的队伍，正一起致力于进一步表征该项目中所制备的材料，并探索这些发光器件的原型。

Mitzi教授说：“通过使用这种计算模拟，我们现在可以尝试预测一些尚不存在但性能又相似的新材料。我们可以填充这些部件，并且假设结构不会根本改变，这样就可以为材料科学家们提供一些可研究的思路。”

这一能力可以使科学家们能够更容易地寻找可广泛的应用的新型材料。包括照明材料和水净化材料等这一类的特殊材料。

无机光源通常被漫射体所包围，从而散射和弱化其强烈且集中的光，这样就会导致最终效率低下。这类层片状HOIPs 材料可以使薄膜出现更自然地效果，同时浪费较少的光。该材料还可以在紫外范围内高效地释放出高能量光源，从而杀死细菌。

Blum教授说：“这个项目更远见的目标是找出这类材料中的材料体系空间，要远远超出了本研究中所涉及到的有机噻吩的范围。关键是我们已经证明我们可以通过这个概念来进行这些计算模拟。而现在我们的任务就是努力把它发扬光大。”