《npj-計算材料學》近期研究亮點

新型半導體納米材料，讓待檢分子的拉曼信號放大107倍

中國科學家新近發現了一種能檢測痕量生物小分子的新型半導體材料。來自中國科學院上海硅酸鹽研究所的楊勇、黃政仁等，發現Nb2O5可以顯著增強生物醫藥領域染料分子的拉曼信號。粗糙襯底上的納米尺寸效應能增加光場，利用這種增強的光信號來檢測特定分子的技術叫表面增強拉曼光譜（SERS）技術。但只有少數幾種貴金屬材料（如金、銀）才能將信號強度提高到實用水平。楊勇等發現了一種目前SERS活性最強的半導體襯底材料，氧化鈮納米晶，可以高靈敏檢測亞甲基藍、甲基紫以及甲基藍等染料分子。他們在檢測亞甲基藍染料時發現，在633和780 nm光激發下，拉曼信號增強了107倍以上。

Shanet al.

npj Computational Materials3, Article number: 11 (2017)

Niobium pentoxide: a promising surface-enhanced Raman scattering active semiconductor substrate

計算預測GaN晶體缺陷的能量和性能

理論計算技術的最新發展顯著提高了基於密度泛函方法的計算預測能力。本文綜述了這些技術進步如何改進了對GaN晶體中本徵缺陷的理解。本文首先回顧了點缺陷的計算方法，並討論了密度泛函理論帶隙計算問題的解決如何影響本徵缺陷的計算。特別地，本文考察了通過校正的半局域泛函（如廣義梯度近似）在多大程度上可以準確描述缺陷結構的特徵。本綜述介紹了GaN中的空穴、空隙和反佔位缺陷的性質，以及它們與常見雜質的相互作用。結合第一原理計算結果與實驗表徵，本文還討論了本徵缺陷及其複合物如何影響了氮化物器件的性能。總體而言，廣義梯度近似等密度泛函方法與帶-隙校正方法結合，可以獲得準確定性結果。然而，這些計算方法在某些重要情況下，特別是在光學躍遷和局域載流子等體系有可能丟失了重要的物理現象。

John Lyons & Chris van de Walle

npj Computational Materials3, Article number: 12 (2017)

Computationally predicted energies and properties of defects in GaN

多面體結構：金屬界面的構件

美國研究人員設計了一個模型來幫助了解諸如鋁和銅等金屬中晶體是如何堆積形成的機制。大多數金屬形成多晶微結構，即它們由許多不同尺寸和取向的小晶體組成。在不同取向的晶界處，缺乏有序結構，難以對其性質進行建模。針對這些問題，北卡羅來納州立大學的Arash Banadaki和Srikanth Patala首先對這些界面結構與微觀單元結構的關係作出了定量處理，開發一個三維模型，依據微結構中原子沿著無序區域堆積模式的幾何結構進行分類。該模型雖然只在面心立方晶體上進行了測試，但也適用於其他有不同晶格結構體系。本方法是通過自下而上設計出所需性能的結構材料的第一步，也是關鍵一步。

Banadaki & Patala

npj Computational Materials3: 13 (2017)

A three-dimensional polyhedral unit model for grain boundary structure in fcc metals

自發模式：模擬有柔性觸感的雪花

採用通用界面模型計算複雜3D雪花生長為其他樹狀材料的模擬提供理論依據。當雪晶種子穿過大氣不斷捕獲水分子時，雪晶體通過初始種子向外擴展而使水分子凝固。雖然大多數模擬方法都將這種不斷增長的界面視為一個敏感的界限，但法國魯昂大學的Gilles Demange和同事們報告說，可變換的模擬方法獲得非常實用的結果。他們用相場模型技術，將雪花表面表示為冰和水蒸氣混合的可移動薄層，用新的表面張力函數來表示各向異性結晶。該方法包括了模擬3D晶面的特殊演算法，能使模型準確重現出基本的雪花形態，並可對各種氣象條件下雲中的冰水含量進行預測。

Demangeet al.

npj Computational Materials3,15 (2017)

A phase field model for snow crystal growth in three dimensions

綜述：相場法在輻射核材料微觀結構和性能演化預測中的應用

核材料引起的高能粒子輻照和高溫極端環境將使核反應堆中的材料發生複雜的微觀結構變化。本文回顧了相場方法用於核材料微結構在輻射環境中的演化，以及微結構的演化對材料力學性能、熱性能和磁性能的影響。首先概述了缺陷演化的重要物理機制，以及高能粒子輻照下對核材料微觀結構演化模擬所存在的不足之處。然後介紹了有強大預測功能的相場法，並綜述其在放射核材料微結構和性能演變方面的應用。他們指出：1）相場模型可以正確描述諸如空間依賴性缺陷的演化（即缺陷的生成、遷移、重組和分解）、Soret效應、強界面能和擴散各向異性、彈性相互作用等重要現象；2）相場法可以定性和定量地模擬2D和3D微結構演化，包括輻射誘導的偏析、第二相成核、缺陷遷移、孔洞和氣泡超晶格形成、位錯環演化、氫化物形成和晶粒生長；3）相場法可正確預測微觀結構與其性質之間的關係。本文最後他們還特別討論了相場法在模擬核材料輻照效應中的優勢和局限性。

Liet al.

npj Computational Materials3, Article number: 16 (2017)

A review: applications of the phase field method in predicting microstructure and property evolution of irradiated nuclear materials

磁電異質結構的計算模擬和材料設計：進展、問題和展望

磁電複合材料及異質結集磁性材料和介電材料的特性於一身，更重要的是，多種序參量之間的耦合會產生新的效應，例如，磁性材料中磁性序和介電材料中電極化序相互耦合產生磁電效應，即：磁場能和電場能可以在幾乎零電流下實現相互轉換，轉換量大小決定了效應的強弱。複合材料和異質結中的磁電效應，通常由材料不同組元之間的界面進行磁、電和/或彈性能量的轉換而實現，並可通過為每個材料組元選擇合適的材料、形狀及尺寸、及微結構而進行優化和設計。本文介紹了理論和計算指導下磁電耦合機理及磁電異質結設計兩方面的最新進展，並討論了磁電異質結方面一些有待解決的問題。我們編製了一個相對全面的實驗數據集，用以總結塊體和薄膜複合材料中的磁電耦合係數，並對磁電複合材料在材料微結構（介觀）尺度上的數據驅動的計算設計作了展望。

Huet al.

npj Computational Materials3:18 (2017)

Understanding and designing magnetoelectric heterostructures guided by computation: progresses, remaining questions, and perspectives

喜歡這篇文章嗎？立刻分享出去讓更多人知道吧！