J. Phys. D: Appl. Phys.:2019年度的材料設計

【引言】

可再生和可持續能源技術的進步在很大程度上取決于研究者設計具有最佳性能材料的能力。計算方法通過快速和全面地預測材料穩定性和性能來加速材料的設計過程。計算材料屬性數據庫中的理論預測材料數量，現在可與晶體數據庫中的實驗條目數量相媲美。更重要的是，計算材料學的發展也加速了新興功能材料的開發速度。材料設計出版物的數量幾乎呈指數增長，通過ab initio計算和用于運行高通量計算研究促進了材料設計的發展，從而加速了材料的設計研究。盡管基于材料計算的材料設計取得了階段性的勝利，但這種設計理念相對較新，需要進一步深入研究。

【成果簡介】

這篇綜述概述了計算材料預測方法，合成過程和表征方法，以及這些計算和實驗技術在各種能源相關技術中的應用。文章還討論了通過設計方法改進材料必須解決的問題和未來機遇。這篇綜述邀請了每個領域的主要研究人員對領域內的相關問題進行討論，并提供他們對材料設計領域的看法和愿景。文章涵蓋的主題包括計算技術，結果驗證，材料數據庫，材料信息學，高通量組合方法，高級表征方法，以及熱電學，光伏，固態照明，電池，金屬合金中的材料設計問題。該成果以題為“The 2019 Materials by Design Roadmap”發表在J. Phys. D: Appl. Phys.上。

【圖文導讀】

Figure 1.材料設計出版物數量的變化

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(a).無機晶體結構數據庫（ICSD）和計算數據庫中包含的化合物總數

(b).“材料設計”相關的出版物數量

Figure 2.材料設計方案示意圖

Figure 3.通過PBE、ACBN0、HSE/GW獲得的理論值與實驗的差距

Figure 4.與已知實驗數據相比，二元合金形成的高通量計算分析

Figure 5.計算過程的示意圖

Figure 6.應用于晶格熱導率和德拜溫度的AGL計算方法的驗證研究

Figure 7.高通量理論和實驗的整合

Figure 8.實驗和數據分析流程

Figure 9.設計用于研究助焊劑反應過程中相形成的原位毛細管爐的示意圖

(a).使用X射線衍射原位監測相形成

(b).Cu-K₂S₃反應的全景圖

Figure 10.在低濃度和高濃度的穩定劑下原位合成Pt納米結構

(a).時間分辨的X射線衍射

(b).在Pt（111）峰下面積的時間演變，表示生長階段I-IV

(c).階段I-III的Pt納米顆粒生長機制的示意圖

Figure 11.通用材料信息學工作流程

Figure 12.材料信息學中的網絡分析方法

Figure 13.多維材料發現的簡化圖示，顯示了不同元素，化學計量和結構

Figure 14.與基態結構相比，亞穩態材料的示意圖以及它們的合成

Figure 15.多尺度多物理的計算材料設計

(a).從溶液中結晶的多個途徑

(b).在有和沒有催化劑C的情況下，從反應物X和Y到產物Z的勢能曲線

(c).獲得亞穩相合成路徑的廣義自由能-壓力相圖

Figure 16.亞穩，混合和分層結構的探索性合成

(a).具有和沒有GaAs殼的GaAsSb半導體納米線

(b).在亞穩態巖鹽結構中拓撲絕緣體SnSe的晶體結構，通過GaAs襯底上的低溫分子束外延穩定

(c).理論輔助的合成

Figure 17.熱電發電機效率隨時間的變化

Figure 18.一些材料的熱電性能

Figure 19.鹵素鈣鈦礦材料和器件的創新空間示意圖

Figure 20.OPV材料開發中使用策略的時間表

Figure 21.磷光體轉換（pc）和顏色混合（cm）LED的發射光譜

Figure 22.使用高強度藍色激發加速磷光體的可靠性測試

Figure 23.八面體頂部位點的廣義配位數和用于蒙特卡羅催化活性建模的 Pt粒子的CO氧化活性

Figure 24.CO催化Co解離的原子分辨率原位掃描隧道顯微鏡圖像

Figure 25.利用高通量技術和數據科學開發鋰電池材料

Figure 26.未來的鋰電池發展路線圖

Figure 27.鐵材料中的一系列功能響應和命名效果表

Figure 28.將高通量計算與先進合成相結合，來設計高性能功能材料

Figure 29.Al摻雜的ZnO TCO薄膜的光學反射，透射和吸收光譜

Figure 30.Al摻雜ZnO薄膜TCO與Ag-NW/ZnO復合透明導體透射光譜的比較

【小結】

可再生和可持續能源技術的進步關鍵取決于設計和實現具有最佳性能材料的能力。材料的發現和設計涉及材料預測，合成和表征之間的緊密結合。材料計算工具的增加，材料數據庫的生成以及實驗方法的進步大大加速了材料的開發。因此，現如今是通過設計方法重塑材料未來前景的適當時機。這篇綜述概述了計算材料學的現狀，綜合和表征方法，各種技術的材料設計需求，以及必須解決的挑戰和機遇。文章討論范圍涵蓋了計算技術，材料數據庫，材料信息學，高通量組合方法，高級表征方法以及熱電材料，光伏材料，顯示材料，催化劑，電池，金屬合金等方面。作者希望這篇綜述可以指導研究人員和資助機構共同構建材料設計的新前景。

The 2019 Materials by Design Roadmap

(J. Phys. D: Appl. Phys., 2019, DOI: 10.1088/1361-6463/aad926)

本文由材料人學術組tt供稿，材料牛整理編輯。?

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