【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】熱電材料是能夠?qū)崿F(xiàn)熱能和電能直接相互轉(zhuǎn)化的新型能源材料，在低品位廢熱發(fā)電、固態(tài)制冷、深空探測(cè)、局域空間精準(zhǔn)溫控等領(lǐng)域有重要應(yīng)用。較低的轉(zhuǎn)換效率是制約熱電材料應(yīng)用的瓶頸，Bi₂Te₃基化合物是目前唯一規(guī)?；瘧?yīng)用的近室溫?zé)犭姴牧希瑹犭姲l(fā)電轉(zhuǎn)換效率僅有~7% 。Mg基熱電材料Mg₃Bi₂-_xSb_x具有低成本和在室溫工作區(qū)的高熱電性能，有望取代Bi₂Te₃基化合物成為下一代室溫商用化材料。確定Mg基熱電材料的微結(jié)構(gòu)是認(rèn)識(shí)和提升熱電性能的前提。然而，Mg₃Bi₂-_xSb_x（0<x<2）的微結(jié)構(gòu)確認(rèn)面臨著Sb/Bi位點(diǎn)占據(jù)無序性、體系尺寸變化和體系計(jì)量比變化等多重維度的挑戰(zhàn)。?

中國(guó)科學(xué)院力學(xué)研究所非線性力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室微結(jié)構(gòu)計(jì)算力學(xué)課題組和山西煤炭化學(xué)研究所/中科合成油聯(lián)合團(tuán)隊(duì)，進(jìn)一步改進(jìn)了先前工作發(fā)展的化學(xué)無序材料的微結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)方法——“辣搜方法”，增加了模型預(yù)訓(xùn)練和隨機(jī)采樣功能。模型預(yù)訓(xùn)練基于先前已有小樣本小體系數(shù)據(jù)預(yù)訓(xùn)練機(jī)器學(xué)習(xí)勢(shì)模型，提高了數(shù)據(jù)利用率和模型精度；在原來的枚舉采樣基礎(chǔ)上增加了隨機(jī)采樣（隨機(jī)采樣可使得“辣搜”方法的預(yù)測(cè)能力由有限體系擴(kuò)展到準(zhǔn)無限體系）。研究利用改進(jìn)的“辣搜”方法，探索了Mg₃Bi₂-_xSb_x（0<x<2）的原子晶胞結(jié)構(gòu)，考察了在晶胞內(nèi)原子數(shù)目N=10、40和90三種不同尺寸的情況。計(jì)算結(jié)果顯示，三種不同尺寸下的結(jié)構(gòu)均具有負(fù)的形成能，表明它們?cè)诶碚撋嫌锌赡芊€(wěn)定存在。盡管形成能相似，但鍵序參數(shù)分析表明這些相的晶體結(jié)構(gòu)非常不同。體系的尺寸在確定預(yù)測(cè)晶體結(jié)構(gòu)的有序度方面具有重要作用。隨著體系尺寸的增加，預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)的無序度也會(huì)增加。在較小的系統(tǒng)中，例如10和40原子系統(tǒng)，Sb傾向于局域在有限數(shù)量的位點(diǎn)上，由于占據(jù)的位點(diǎn)數(shù)量有限，致使結(jié)構(gòu)更加規(guī)則。然而，在較大的系統(tǒng)（如90原子系統(tǒng)）中，徑向分布函數(shù)表明Sb在預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)中的分布更加多樣化，且分布在整個(gè)結(jié)構(gòu)空間的概率更高。該工作在理論上為后續(xù)研究Mg₃Bi₂-_xSb_x（0<x<2）熱電性質(zhì)奠定了重要的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)，并為預(yù)測(cè)準(zhǔn)無限體系的其他化學(xué)無序材料的微結(jié)構(gòu)鋪平了道路。?

相關(guān)研究成果以Active-learning search for unitcell structures: A case study on Mg₃Bi₂-_xSb_x為題，發(fā)表在《計(jì)算材料學(xué)》（Computational Materials Science）上。研究工作得到國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃和力學(xué)所力英計(jì)劃等的支持。
  

圖1.?（a）用于有限尺寸化學(xué)無序材料結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)的流程圖，（b）用于準(zhǔn)無限尺寸化學(xué)無序材料結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)的流程圖

圖2. （a） “辣搜”方法在Mg₃Bi₂-_xSb_x（x=0.5，N=90）體系搜索過程中總能量隨搜索代數(shù)的演化；（b） 三種不同尺寸（N = 10、40和90）的搜索過程中第一性原理計(jì)算所需的時(shí)間；（c） 三種不同尺寸（N = 10、40和90）下Mg₃Bi₂-_xSb_x（0<x<2）的形成能曲線；（d）三種不同尺寸（N = 10、40 和 90）下Mg₃Bi₂-_xSb_x（0<x<2）的無序參數(shù)曲線。

 圖3. （a）三種不同尺寸（N=10、40和90）在 x=0.5、1.0和1.5下預(yù)測(cè)的晶體結(jié)構(gòu)；（b）在x=0.5時(shí)三種不同尺寸（N=10、40和90）預(yù)測(cè)的晶體結(jié)構(gòu)q4和q6分布；（c）在x=1.0時(shí)三種不同尺寸（N=10、40和90）預(yù)測(cè)的晶體結(jié)構(gòu)q4和q6分布；（d）x=1.5時(shí)三種不同尺寸（N=10、40和90）預(yù)測(cè)的晶體結(jié)構(gòu)q4和q6分布。

 圖4.?Mg₃Bi₂-_xSb_x（x=0.5）中Mg-Sb和Sb-Sb的徑向分布函數(shù)（RDF）