機(jī)器學(xué)習(xí)加速晶體結(jié)構(gòu)方法設(shè)計(jì)出非金屬性的富氮類鎢氮化合物h-WN6

機(jī)器學(xué)習(xí)算法在很多領(lǐng)域取得了令人矚目的進(jìn)步，從而廣受人們關(guān)注，但它在晶體結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)方面的應(yīng)用還有待發(fā)展。晶體結(jié)構(gòu)搜索通常要處理大量的備選結(jié)構(gòu)，若對(duì)每一個(gè)備選結(jié)構(gòu)都進(jìn)行第一性原理計(jì)算的話會(huì)耗費(fèi)大量的計(jì)算資源。南京大學(xué)物理學(xué)院的孫建課題組和王慧田課題組發(fā)展了一套機(jī)器學(xué)習(xí)加速晶體結(jié)構(gòu)搜索的程序，用機(jī)器學(xué)習(xí)的方法擬合出一個(gè)模型，用這個(gè)模型先對(duì)備選晶體結(jié)構(gòu)進(jìn)行初篩，這樣可以有效提高晶體結(jié)構(gòu)搜索的效率。

另一方面，過渡金屬輕元素化合物，特別是鎢氮化物因其具有很高的不可壓縮性和體彈模量，作為硬質(zhì)材料得到了廣泛的研究。但目前人們還沒有發(fā)現(xiàn)超硬（維氏硬度超過40GPa）的鎢氮化合物。這可能是由于鎢氮化合物中過渡金屬原子的d電子能帶會(huì)穿過費(fèi)米面，使其具有金屬性，從而大大降低了材料的硬度。設(shè)計(jì)具有非金屬性的鎢氮化合物或許可能得到擁有超硬力學(xué)特性的新材料。在前人研究基礎(chǔ)上，孫建課題組和王慧田課題組總結(jié)出了尋找超硬的過渡金屬輕元素化合物的三條線索：穩(wěn)定或亞穩(wěn)的晶體結(jié)構(gòu)、非金屬性的電子結(jié)構(gòu)以及高輕元素占比。這些線索啟發(fā)他們?cè)诟坏愭u氮體系中去設(shè)計(jì)和尋找具備環(huán)、鏈、網(wǎng)格和框架等特殊氮原子基元構(gòu)型的晶體。

利用上述設(shè)計(jì)思路和他們新發(fā)展的機(jī)器學(xué)習(xí)加速晶體結(jié)構(gòu)搜索方法，他們成功設(shè)計(jì)出了一種非金屬性的富氮類鎢氮化合物h-WN6。它是由扶手椅狀的氮六元環(huán)和鎢原子形成的三明治結(jié)構(gòu)。其電子局域分布和成鍵特性分析表明h-WN6是離子型晶體并具有方向性良好的強(qiáng)共價(jià)鍵。它是個(gè)小帶隙的間接能隙半導(dǎo)體，并且隨著壓力升高，其帶隙表現(xiàn)出反常的展開現(xiàn)象。下圖展示了h-WN6的晶體結(jié)構(gòu)、電子結(jié)構(gòu)及其壓力響應(yīng)。理論計(jì)算表明h-WN6可以在高壓下合成同時(shí)在常壓下是亞穩(wěn)的。令人驚奇的是，理論預(yù)測(cè)h-WN6結(jié)構(gòu)具有約57GPa的維氏硬度和1,900K的熔點(diǎn)，是目前為止最硬的過渡金屬氮化物。同時(shí)，它還具有很高的質(zhì)量能量密度（3.1 kJ/g）和體積能量密度（28.0 kJ/cm3），是一種潛在的高能量密度材料。

W-N相的晶體結(jié)構(gòu)和理論計(jì)算的電子結(jié)構(gòu)

該工作發(fā)展了機(jī)器學(xué)習(xí)加速晶體結(jié)構(gòu)搜索的方法，總結(jié)了過渡金屬輕元素雜化超硬材料的設(shè)計(jì)思想，并在此基礎(chǔ)上預(yù)言了一種具有很好熱穩(wěn)定性的超硬又高能量密度的鎢氮化合物。這可能激發(fā)人們?nèi)ダ碚撎剿骱蛯?shí)驗(yàn)合成這類有潛在應(yīng)用價(jià)值的材料，并且對(duì)于發(fā)展更高效的晶體結(jié)構(gòu)搜索方法，驗(yàn)證超硬材料的設(shè)計(jì)思想，擴(kuò)充超硬材料家族以及研究硬度起源都有重要的科學(xué)意義。

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