高通量计算材料结构搜索.pptx

高通量计算材料结构搜索材料设计正经历从实验到计算的革命性转变。高通量计算方法带来前所未有的新材料发现速度。结构搜索在发现新材料中扮演关键角色，为创新应用提供无限可能。作者：

材料设计的挑战传统方法局限依赖试错实验，耗时长，成本高，效率低下。发现瓶颈材料空间巨大，人工搜索几乎不可能全面覆盖所有可能性。计算加速高通量计算可同时评估数千种候选材料，大幅加快发现进程。

高通量计算：基本概念数据库与分析存储大量计算结果并挖掘材料规律大规模并行计算同时运行数千个独立计算任务自动化工作流程无人干预下完成从结构生成到性能计算全过程

高通量计算的应用领域能源材料更高能量密度的电池材料更高效率的太阳能电池催化材料高选择性催化剂更低成本的工业催化材料结构材料更轻更强的航空航天合金耐极端环境的特种材料

本次报告的结构高通量计算方法论详解计算原理与技术流程应用案例分析探讨各领域成功应用实例挑战与未来展望分析当前限制与发展趋势

第一性原理计算(DFT)基本原理通过求解薛定谔方程近似，将多体问题转化为单电子问题利用电子密度而非波函数进行计算，大幅降低计算量关键技术赝势方法：简化内层电子处理基组选择：平面波基或局域基函数能量、力与应力计算：结构优化的基础

密度泛函理论的局限性交换关联泛函近似LDA、GGA等近似方法对某些体系预测不准对强关联体系计算精度不足vanderWaals处理传统DFT无法准确描述分散力需要额外校正方法激发态计算标准DFT仅处理基态性质需要TDDFT或GW方法处理激发态

晶体结构预测方法随机搜索方法蒙特卡洛算法在构型空间随机取样通过大量采样增加找到全局最小的概率演化算法遗传算法模拟生物进化原理筛选优质结构通过交叉变异操作探索新构型粒子群优化模拟群体行为搜索能量最低结构适合处理高维度搜索问题

表面结构搜索表面重构复杂性表面原子因悬挂键重排形成新结构需考虑多种可能的重构模式表面能计算对比不同表面构型的能量差异确定热力学最稳定的表面结构催化位点确定分析表面各位点的吸附能差异预测化学反应可能的活性中心

缺陷结构搜索点缺陷空位、间隙原子、掺杂原子等零维缺陷影响材料电子、光学和力学性能线缺陷位错等一维缺陷主要影响材料力学性能和塑性面缺陷晶界、堆垛层错等二维缺陷改变材料的传输和力学特性

分子动力学模拟(MD)基本原理与算法求解牛顿运动方程追踪原子轨迹系综选择NVE保守能量，NVT控温，NPT控压力场选择与构建经验力场、反应力场或机器学习力场

机器学习在结构搜索中的应用构建势函数神经网络势函数高斯近似势接近第一性原理精度加速DFT计算预测计算结果降低计算成本保持高精度预测材料性能分类预测稳定性回归预测物理参数筛选优质候选材料

数据库的构建与管理133,000+MaterialsProject无机材料数据库规模3.2M+AFLOWlib计算材料数据条目815,000+OQMDDFT计算结构

高通量计算工作流程自动化脚本编写创建工作流脚本处理材料构建、计算和分析全流程作业提交与管理自动分配计算资源并监控任务执行状态数据后处理提取、整理计算结果并进行分析比较3结果可视化通过图表和模型直观展示计算成果

案例一：锂离子电池正极材料理论容量(mAh/g)平均电压(V)

案例二：钙钛矿太阳能电池材料材料设计策略调控A位阳离子替换B位铅元素混合X位卤素计算指标带隙大小控制光吸收效率载流子迁移率高通量计算筛选出数十种潜在高效率、低毒性的新型钙钛矿材料。

案例三：金属有机框架材料(MOFs)多孔结构优化计算筛选合适的金属节点和有机连接体，构建高孔隙率材料。气体吸附模拟模拟分析不同气体分子在孔道中的吸附性能与选择性。CO2捕获应用筛选高效碳捕获MOFs，缓解温室气体排放问题。

案例四：拓扑绝缘体材料材料特性内部绝缘，表面导电的新型量子材料。计算方法需结合自旋轨道耦合的精确DFT计算。应用前景自旋电子学和量子计算领域的关键材料。

案例五：高温超导材料材料类型关键组分临界温度计算挑战铜氧化物CuO2平面133K强关联效应铁基超导体FeAs层55K磁性与超导竞争H3S硫氢键203K高压环境模拟

案例六：催化剂材料活性位点识别计算分析各表面位点的吸附能差异反应路径确定计算反应能垒预测最可能反应途径催化剂筛选大规模评估候选材料催化性能

案例七：热电材料

案例八：磁性材料计算参数磁矩大小与方向磁各向异性能交换耦合常数居里温度应用方向高密度存储自旋电子学器件永磁材料磁传感器

案例九：二维材料高通量计算发现了数百种潜在稳定的二维材料，预测其电子、光学和力学性质。这些材料在柔性电子学、光电子学和催化领域具有广阔应用前景。

案例十：形状记忆合金奥氏体相高温下稳定的立方结构马氏体转变温度变化引发晶格变形形状记忆效应回到原始形状的独特能力

案例十一：高熵合金多元素随机分布五种或更多