力學所在鎂基室溫熱電材料半無序微結構預測方面取得進展

　　【儀表網 研發快訊】熱電材料是能夠實現熱能和電能直接相互轉化的新型能源材料，在低品位廢熱發電、固態制冷、深空探測、局域空間精準溫控等領域有重要應用。較低的轉換效率是制約熱電材料應用的瓶頸，Bi₂Te₃基化合物是目前唯一規模化應用的近室溫熱電材料，熱電發電轉換效率僅有~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基熱電材料的微結構是認識和提升熱電性能的前提。然而，Mg₃Bi₂-_xSb_x（0<x<2）的微結構確認面臨著Sb/Bi位點占據無序性、體系尺寸變化和體系計量比變化等多重維度的挑戰。 注冊儀表網，馬上發布/獲取信息

中國科學院力學研究所非線性力學國家重點實驗室微結構計算力學課題組和山西煤炭化學研究所/中科合成油聯合團隊，進一步改進了先前工作發展的化學無序材料的微結構預測方法——“辣搜方法”，增加了模型預訓練和隨機采樣功能。模型預訓練基于先前已有小樣本小體系數據預訓練機器學習勢模型，提高了數據利用率和模型精度；在原來的枚舉采樣基礎上增加了隨機采樣（隨機采樣可使得“辣搜”方法的預測能力由有限體系擴展到準無限體系）。研究利用改進的“辣搜”方法，探索了Mg₃Bi₂-_xSb_x（0<x<2）的原子晶胞結構，考察了在晶胞內原子數目N=10、40和90三種不同尺寸的情況。計算結果顯示，三種不同尺寸下的結構均具有負的形成能，表明它們在理論上有可能穩定存在。盡管形成能相似，但鍵序參數分析表明這些相的晶體結構非常不同。體系的尺寸在確定預測晶體結構的有序度方面具有重要作用。隨著體系尺寸的增加，預測結構的無序度也會增加。在較小的系統中，例如10和40原子系統，Sb傾向于局域在有限數量的位點上，由于占據的位點數量有限，致使結構更加規則。然而，在較大的系統（如90原子系統）中，徑向分布函數表明Sb在預測結構中的分布更加多樣化，且分布在整個結構空間的概率更高。該工作在理論上為后續研究Mg₃Bi₂-_xSb_x（0<x<2）熱電性質奠定了重要的結構基礎，并為預測準無限體系的其他化學無序材料的微結構鋪平了道路。 

相關研究成果以Active-learning search for unitcell structures: A case study on Mg₃Bi₂-_xSb_x為題，發表在《計算材料學》（Computational Materials Science）上。研究工作得到國家重點研發計劃和力學所力英計劃等的支持。
  

圖1. （a）用于有限尺寸化學無序材料結構預測的流程圖，（b）用于準無限尺寸化學無序材料結構預測的流程圖

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算所需的時間；（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下預測的晶體結構；（b）在x=0.5時三種不同尺寸（N=10、40和90）預測的晶體結構q4和q6分布；（c）在x=1.0時三種不同尺寸（N=10、40和90）預測的晶體結構q4和q6分布；（d）x=1.5時三種不同尺寸（N=10、40和90）預測的晶體結構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（RDF）