面向铁电相变的机器学习:基于图卷积神经网络的分子动力学模拟

铁电材料广泛应用于功能器件中,对铁电体进行方便、准确的理论建模,是一个长期被关注的问题.本文提出了一种基于图卷积神经网络的铁电相变模拟方法,利用图卷积神经网络对铁电材料的势能面进行原子层面的建模,并将得到的神经网络势函数作为计算器,以驱动大体系的分子动力学模拟.给定原子位置,训练好的图卷积神经网络能够给出势能的高精度预测,达到每原子1 meV级别,与从头算(ab inito)精度基本相当,同时在计算速度上相比从头算方法有数个数量级的提升.得益于神经网络的高精度和快速预测能力,结合分子动力学模拟,本文对两种不同类型的铁电材料——GeTe和CsSnI3进行研究,成功模拟了它们随温度发生的结构相变,模拟结果和实验相符合.这些结果说明了图卷积神经网络在铁电体建模和相变模拟应用中的准确性和可靠性,为铁电体的理论探索提供了一个通用建模方法.

S在Pt皮肤Pt_3Ni(111)面吸附的第一性原理研究

采用基于密度泛函理论的第一性原理方法,计算并分析了S原子在Pt皮肤Pt3Ni(111)面不同位置的吸附特性.结果表明:S原子在Pt皮肤Pt3Ni的fcc位吸附最强,吸附能为5.49eV;与S原子在纯净的Pt(111)表面吸附相比较,S原子在Pt皮肤Pt3Ni(111)面相应吸附位置的吸附能变小,与近邻Pt原子形成的S-Pt键变长,表明掺杂的Ni会减小相应位点S原子的吸附能,降低体系对S原子的吸附能力,进而减弱S吸附对体系催化能力的影响;态密度分析发现,S原子的吸附使得Pt基催化剂的催化活性降低,主要是S的2p电子引起的;这些结果将为后续研究Pt基合金电极抗S中毒效果以及探究S原子吸附后Pt3Ni的活性位提供依据.

第一原理的原子热力学方法及反应相图分析

复相系的平衡条件及平衡性质是热力学教学的重要内容.为了使学生更加深入理解热力学的基本理论和基本知识,本文基于相平衡原理详细介绍了第一原理的热力学方法,并将相应的学术研究成果引入课堂教学中.这不仅有利于提高学生对热力学平衡性质的理解和应用,也对教学内容的设计提供了参考.

Pt基电极材料硫中毒机理的计算机模拟研究

采用基于密度泛函理论的第一性原理方法和超原胞模型,计算并分析了Pt及Cu掺杂的Pt基合金的表面态密度,以及S在Pt及Pt基合金表面的吸附能和态密度情况.考虑了多种掺杂体系及吸附构型,结果表明:Cu掺杂会降低Pt基体系表面费米能级附近态密度,Pt皮肤的存在可以有效地减小Cu掺杂对体系表面态密度的影响;与S在纯Pt表面吸附相比较,S在掺杂体系表面的吸附能较小,且S的吸附对掺杂体系费米能级附近表面态密度影响较小.以上研究结果有助于为改善Pt基电极材料的催化性能,尤其是其抗S中毒性能提供理论依据.

Cu在Zr掺杂CeO_2(111)表面吸附特性的第一性原理研究

采用第一原理计算方法,计算并分析了Cu在Zr掺杂的CeO2(111)表面吸附的吸附能及所形成的Cu/Ce0.75Zr0.25O2(111)界面体系的吸附结构和电子结构.结果表明:1)Cu在Ce0.75Zr0.25O2(111)表面上邻近Zr原子的次层O的顶位吸附最强;2)Zr的掺杂增强了Cu与CeO2衬底的作用;3)Cu的吸附在Ce0.75Zr0.25O2(111)表面的O2p-Ce4f态之间引入了新的间隙态,这些间隙态主要来自于Cu3d与衬底O2p的杂化作用,这是Cu与Ce0.75Zr0.25O2有较强作用的主要原因;4)吸附的Cu被Ce0.75Zr0.25O2氧化为Cuδ+,并伴随着表面Ce4+→Ce3+的转化,该反应可以总结为:Cu/Ce4+→Cuδ+/Ce3+.

Pt-Ni合金团簇的结构与磁性的第一性原理研究

采用基于密度泛函理论的第一性原理计算程序包VASP(Vienna ab-initio Simulation Package)对Pt13,Ni13及Pt-Ni合金二十面体团簇进行了计算机模拟研究.研究表明,Pt13和Ni13团簇显现出完美的Ih(正二十面体)对称性,Pt13团簇的磁矩为2.13μB,Ni13团簇的平均原子磁矩也比其体块的原子磁矩有所增大.对Pt-Ni合金团簇,Pt原子倾向于偏析到团簇表面,团簇的平均最近邻键长随着Ni原子数目的增多而单调减小,总磁矩可通过Ni含量的变化而进行调制.

Ni与钇稳定的氧化锆(111)表面相互作用以及界面活性的第一性原理研究

采用基于密度泛函理论的第一性原理方法,系统研究了Ni原子在钇稳定的氧化锆(YSZ)(111)和富氧的YSZ(YSZ+O)(111)表面不同位置的吸附,以及CO和O_2分子在Ni_1(单个镍原子)/YSZ和Ni_1/YSZ+O表面吸附的几何与电子结构特征.结果表明:1)单个Ni原子倾向于吸附在O原子周围,几乎不吸附在Y原子周围,且Ni原子在氧空位上吸附最稳定;2)和YSZ相比,单个Ni原子在YSZ+O表面易发生氧化现象,Ni原子失去1.06 e电子,被氧化成了Ni^+,吸附能力更强;3)被氧化的Ni催化活性大幅下降,大大减弱了表面对O_2和CO等燃料气体的吸附作用.

第一性原理研究由金属镍和钇稳定的氧化锆所形成的三相边界微观结构（英文）

基于第一性原理计算并结合经典的蒙特卡罗方法对镍团簇在钇稳定的氧化锆(YSZ)表面的各种稳定吸附构型进行了结构搜索,并得到了不同于以往文献中报道的更稳定的三相边界构型.在此基础上,对氧迁移时所伴随的电荷转移进行了深入的探讨.这里,从YSZ到Ni上的电子转移是描述固体氧化物燃料电池阳极电化学反应的关键,因此,我们进一步分析了影响电荷转移量的可能因素.所得研究结果暗示着在SOFC阳极可能存在着新的电化学反应机制.

单原子Pt增强α-Mo_2C(0001)抗硫中毒特性机理的第一性原理研究

采用基于密度泛函理论(DFT)第一性原理方法研究了α-Mo_2C(0001)表面和Pt/α-Mo_2C(0001)表面抗硫中毒特性及其机理.发现干净的Mo_2C(0001)表面对含硫物种(S、HS和H2S)吸附很强(吸附能分别为-6.46、-4.15和-1.54 e V),极易S中毒.Pt的引入可以减弱含硫物种在Mo_2C(0001)表面的吸附,当含硫物种在Pt/Mo_2C(0001)表面Pt原子周围吸附时吸附能较小,在Pt原子顶位吸附时吸附能最小,远离Pt原子吸附时吸附能增大.因此,Pt的引入对Pt周围催化活性位点避免硫原子中毒起到很好的保护作用,达到抗硫中毒效果.预期提高Pt原子覆盖度,可以进一步降低含硫物种与Mo_2C(0001)表面的相互作用,更好地抗硫中毒,为设计高活性、高抗硫中毒性的Mo_2C基催化剂提供理论依据.