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2025年1月
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發(fā)布時間: 2021-12-22
自然界中的二維材料就像是樂高積木塊。科學(xué)家們從自然界挑選出可以使用的“積木塊”，拼接、堆疊成神奇絢爛的新型材料，讓世界更加豐富多彩。
左：二維材料 右：樂高積木塊
由于所有原子都暴露在表面，相比三維材料更為敏感，很多“二維材料”具有極高的光吸收表面和可調(diào)控的“光電性質(zhì)”，在太陽能電池的設(shè)計和實現(xiàn)之中發(fā)揮著不可小覷的作用。
計算服務(wù)，揭開二維材料異質(zhì)結(jié)“激發(fā)態(tài)性質(zhì)”奧秘
“二維材料”蛻變成我們所需的新型材料，并非一蹴而就，其中就有不少“曲折”的故事。
“異質(zhì)結(jié)模型”，通過選取合適的施主和受主兩種不同半導(dǎo)體材料，可以有效地分離和收集載流子，被視為解決太陽能電池設(shè)計的核心方案之一。很多二維材料，由于具有極高的光吸收表面和可調(diào)控的光電性質(zhì)，廣泛地應(yīng)用于太陽能電池異質(zhì)結(jié)中。
其中，二維材料德瓦爾斯異質(zhì)結(jié)在保留理想的光吸收能隙、高載流子遷移率和強可見光吸收等優(yōu)異特性的同時，更表現(xiàn)出許多新奇的性質(zhì)，在光電器件方面有著廣泛的應(yīng)用。
然而二維材料范德瓦爾斯異質(zhì)結(jié)的光電性質(zhì)，嚴重依賴于層內(nèi)和層間的激發(fā)態(tài)電子-空穴對（激子）的相互作用，這時候，傳統(tǒng)的第一性原理基態(tài)電子結(jié)構(gòu)計算便難以描述這種激發(fā)態(tài)性質(zhì)。
而激發(fā)態(tài)電子結(jié)構(gòu)研究方法，如含時密度泛函理論 （TDDFT）等，高達六階的計算復(fù)雜度，傳統(tǒng)軟件只能處理幾十個原子以內(nèi)的中小體系。這些高標度方法由于其數(shù)據(jù)通訊多，內(nèi)存需求大，堆棧訪存多，難以實現(xiàn)大規(guī)模并行計算。
通過曙光提供的計算服務(wù)支撐，近日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)專家課題組將通過第一性原理激發(fā)態(tài)電子結(jié)構(gòu)計算模擬，借助于自主開發(fā)的ISDF+TDDFT加速算法計算，研究二維材料異質(zhì)結(jié)的激發(fā)態(tài)光電性質(zhì)，調(diào)控其激子的行為，為實驗上設(shè)計新型高效光電器件應(yīng)用提供有效地理論支持！
課題組根據(jù)電偶層理論和基于自主開發(fā)大規(guī)模并行計算軟件的理論模擬，設(shè)計出不需要選擇兩種不同半導(dǎo)體材料，僅僅由氫化（施主材料）和氟化（受主材料）磷烯納米層即可構(gòu)成的新型太陽能異質(zhì)結(jié)模型，對太陽能量的轉(zhuǎn)換效率高達20%。
專家組開發(fā)PWDFT，實現(xiàn)大規(guī)模并行運算
上文中，二維材料激發(fā)態(tài)光電性質(zhì)研究的主要工具是PWDFT。它是一款基于平面波(PW)基組的第一性原理計算開源軟件，可實現(xiàn)固體材料和分子體系的電子結(jié)構(gòu)計算和分子動力學(xué)模擬。該軟件可以用于復(fù)雜體系的光學(xué)、電學(xué)、磁學(xué)和熱學(xué)等物理性質(zhì)的計算，面向材料，生物和醫(yī)藥領(lǐng)域的大分子的動力學(xué)模擬；面向豐富材料基因組數(shù)據(jù)，結(jié)合人工智能算法和高通量計算實現(xiàn)功能材料快速發(fā)現(xiàn)等等領(lǐng)域。
目前，PWDFT不僅可以實現(xiàn)常規(guī)計算，也可以進行高精度雜化泛函求解。由于使用了先進算法，再加上優(yōu)秀的并行設(shè)計，PWDFT并行效率實現(xiàn)大幅突破。僅需要短短幾分鐘，PWDFT便可以完成數(shù)千原子的TDDFT激發(fā)態(tài)電子結(jié)構(gòu)計算模擬，實力領(lǐng)先本領(lǐng)域內(nèi)的其他平面波軟件。
此次借助曙光計算服務(wù)，為中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)專家課題組提供可以承載高效激發(fā)態(tài)電子結(jié)構(gòu)計算和分子動力學(xué)模擬的高端算力平臺。同時，按需按量為其提供計算、應(yīng)用、數(shù)據(jù)、調(diào)優(yōu)、咨詢、運營、運維等的一站式服務(wù)。未來，曙光將繼續(xù)為量子化學(xué)、計算材料學(xué)等對計算有著龐大需求的領(lǐng)域，提供像“自來水”一樣即開即用的海量算力，推動計算產(chǎn)業(yè)和各科學(xué)領(lǐng)域蓬勃發(fā)展。
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