CSPTH:基于天河二号的晶体结构预测软件框架

晶体结构是深入理解材料的物理及化学性质的重要信息,发展可以从理论上预测晶体结构的方法具有重要意义。通过高性能计算集群甚至利用超级计算机来加速晶体结构预测已逐步成为趋势。本文中,我们基于天河二号超级计算机开发了一套开源的晶体结构预测软件框架,命名为CSPTH。在算法层面,我们基于当前效率最高的遗传算法进行晶体结构预测,并采用了多种技术提升结构预测效率,包括并行化生成种群结构;引入空间群限定,减少自由度搜索,提升结构多样性;引入晶体指纹进行相似性算法,排除相似结构干扰,避免“基因漂变”的问题。特别地,我们针对晶体结构预测算法的应用特点以及天河二号的系统环境,从任务以及数据管理两个方面做了优化。在任务管理上,我们设计了多层任务调度管理模块,根据计算任务的规模大小的分发细粒度作业(节点内)以及粗粒度作业(跨节点),提升计算资源的高效使用;在数据管理上,我们将每个计算任务的数据都临时储存于计算节点的RAMDISK,提取有效信息后再存储于MongoDB数据库,避免大量小文件存储于公共存储。CSPTH已在15种已知一元、二元以及三元体系上进行了结构预测,实验结果表明CSPTH能根据给定的组分及外部压力条件下全部预测出相应的稳定结构。

N-(1-萘基)-琥珀酰亚胺化合物晶体结构的理论预测

用MaterialsStudio软件对N-(1-萘基)-琥珀酰亚胺多晶粉末的X射线衍射数据进行衍射峰指标化、晶胞参数优化和空间群搜索等理论计算,可以确定晶体结构所属的晶系和空间群,并初步给出和多晶粉末衍射数据相近的晶胞参数;在已确定空间群范围内,以密度泛函理论计算得到的最低能量构象作为初始分子结构,对N-(1-萘基)-琥珀酰亚胺多晶进行晶体结构理论预测,给出一系列假定的晶胞参数,从中可以找到和经上述计算给出的晶胞参数一致的晶体结构;对其进行晶胞参数优化后,得到晶体结构具有和多晶粉末X射线衍射数据相近的衍射曲线,并与已有的单晶数据相吻合.

A晶型盐酸帕罗西汀晶体结构预测

利用Cerius2软件自带的晶体结构预测模块,以实验测得的A晶型盐酸帕罗西汀X射线粉末衍射数据为晶体结构预测结果的检测与筛选标准,以粉末衍射数据指标化得到的空间群作为参考,最终确定了A晶型盐酸帕罗西汀晶体分子的空间结构;在此基础之上进一步考察了半水盐酸帕罗西汀、A晶型盐酸帕罗西汀、盐酸帕罗西汀异丙醇化物之间的相对稳定性,从晶体结构的角度解释了三者之间晶型相互转换的原因。

Hf-N体系的晶体结构预测和性质的第一性原理研究

为了寻找具有优异力学性能的新型超高温陶瓷材料,结合进化算法和第一性原理,系统研究了Hf-N二元体系所有稳定存在的化合物及其晶体结构.除了实验已知的岩盐结构的Hf N之外,本文还找到了Hf_6N(R-3),Hf_3N(P6322),Hf_3N_2(R-3m),Hf_5N_6(C2/m)和Hf_3N_4(C2/m)五种新结构,基于准简谐近似原理计算了这些稳定结构的声子谱以验证其动力学稳定性,常温甚至更高温度下的吉布斯自由能以验证其高温热力学稳定性.结果表明,这些结构是动力学稳定的,且在1500 K以下都是热力学稳定的.同时,本文还列出了在搜索过程中出现的空间对称性较高、能量较低的亚稳态结构,包括Hf_2N(P42/mnm),Hf_4N_3(C2/m),Hf_6N_5(C2/m),Hf4N5(I4/m),Hf_3N_4(I-43d)和Hf_3N_4(Pnma).之后计算了上述所有结构的力学性质(弹性常数、体模量、剪切模量、杨氏模量、硬度),随着N所占比例的增加,硬度呈现的整体趋势是先增大后下降,在Hf_5N_6处取得最大值,为21 GPa.其中Hf_3N_2和Hf4N5也展现出了较高的硬度,都为19 GPa.最后,计算了这些结构的电子态密度和晶体轨道汉密尔顿分布,从电子结构的角度分析了力学性能的成因.研究结果显示,较强的Hf-N共价键和较低的结构空位率是Hf_5N_6具有优异力学性能的主要原因.

5′-鸟苷酸的晶体结构预测

采用Cerius2软件中的Polymorph模块,预测5′-鸟苷酸的晶体结构。采用蒙特卡罗模拟退火方法在晶格能超曲面上搜索晶体可能的堆垛方式;基于堆垛相似性,有选择性的将这些可能的结构划分成各个特征组;在所有自由度上对每一特征结构进行优化;对优化后的各个结构再次分组排除重复;根据晶格能对最后得到的结构进行排序,得到5′-鸟苷酸最可能的空间群为P212121。

高压下Ir_2P晶体结构预测与物理性质

在压强为0～100 GPa范围内,运用CALYPSO结构搜索技术,结合基于密度泛函理论中的第一性原理方法,对Ir_2P晶体进行结构预测,并对预测出的晶体结构和物理性质进行细致的研究。在常压下,预测得出α-Ir_2P相具有立方结构,其空间群为Fm3m,与实验所得结构一致;压强为86.4 GPa时,发生结构相变,由α-Ir_2P相转变为β-Ir_2P相,为四方结构,其空间群为I4/mmm。在相变过程中,晶体体积发生坍塌,并且出现不连续变化的一级相变。电子性质计算表明,86.4 GPa时,预测的β-Ir_2P相中导带和价带在费米面附近发生交叠,表明其结构具有金属性质;电子局域函数计算表明,β-Ir_2P相具有丰富的化学键,包括极性共价键、金属键和离子键;Bader电荷转移计算得出,由于Ir原子具有较强的电负性,β-Ir_2P相中每个P原子向每个Ir原子电荷转移0.19e。

晶体结构预测方法与应用

物质的微观结构是深入理解其宏观物理和化学性质的基础,晶体结构预测是晶体工程领域的重要研究内容之一。近年来,随着理论方法的不断改进和完善以及计算机技术的飞速发展,根据初始物质的化学成分来理论预测物质的微观结构已成为可能。详细介绍了几种当前主流的晶体结构预测理论及其基本原理,重点论述了基于不同算法的晶体结构预测程序的工作流程及其典型应用。

CuBiI三元化合物晶体结构预测及光电性能第一性原理研究

作为潜在的新型光电材料,三元金属卤化物一直以来广受关注.本文通过基于遗传算法的晶体结构预测软件USPEX,对三元CuBiI化合物(CuBi_(2)I_(7),Cu_(2)BiI_(5),Cu_(2)BiI_(7),Cu_(3)BiI_(6),Cu_(3)Bi_(2)I_(9),CuBi_(3)I_(10),Cu_(4)BiI_(7))在常压、绝对零度下的稳定晶体结构进行了全局搜索.采用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法,计算了所发现结构的形成能、弹性系数和声子色散谱,确定了12个具有良好的热力学、弹性力学及晶格动力学稳定性的CuBiI化合物结构.这12个潜在稳定结构的理论带隙为1.13—3.09 eV,其中CuBi_(2)I_(7),Cu_(2)BiI_(5),Cu_(2)BiI_(7)和Cu_(4)BiI_(7)在可见光区域表现出极强的光吸收能力(光吸收系数高于4×10^(5) cm^(–1)),光电转换效率最高可达31.63%.计算结果表明三元金属卤化物CuBiI具有成为高性能太阳能电池吸收层材料的潜力.

一硼化铪的晶体结构预测与构效关系基因

利用基于进化算法的晶体结构预测软件USPEX,并结合第一性原理方法对HfB的稳定晶体结构进行全局搜索。在基态条件下,新发现2个HfB晶体结构(空间群:P6m2和R3m)。其中,P6m2结构比已报道的Hf B晶体结构(空间群:Pnma、Cmcm、I41/amd和Fm3m)具有最低的基态能量。这些结构中,B原子分别以二维类石墨烯(P6m2和R3m结构),zig-zag链(Pnma、Cmcm和41/amd结构)和孤立原子(Fm3m结构)3种形式存在,从而导致它们具有显著的化学键合特征、高温稳定性和强韧特性差异。

吩嗪衍生物晶体结构预测及其动力学研究

本文研究了2-苯基-1H-咪唑并[4,5-b]吩嗪(PND)分子的自组装行为和晶体结构预测,提出了一种用于晶体结构预测的分子自组装晶体系统的组合密度泛函理论/分子动力学(DFT/MD)方法。通过量子化学计算得到活性位点,以COMPASS力场,对吩嗪模型进MD模拟,分析其前线轨道能量,自组装过程的演化和氢键的特征参数。根据上述模拟,进行PND晶体形态的预测,预测结果和实验结果一致。

功率循环下CSP封装结构焊点的寿命预测分析

采用非线性有限元方法,分析了CSP封装形式的焊点在给定功率循环下的应力应变.单一内变量的统一粘塑性Anand本构方程,描述了63Sn37Pb焊料的粘塑性变形行为.考虑封装体内温度梯度的存在,更加真实地模拟芯片实际发热机制,采用间接法将CSP功率循环模拟方法具体分为瞬态热分析和热应力分析两个阶段.热分析得到的温度场分布结果作为热应力分析的载荷.通过基于以能量为基础的疲劳寿命预测公式预测焊点的失效循环数.对1/8 CSP模型作寿命预测,并和简化模型作比较分析.结果表明,两者焊球温度分布和等效应力基本一致,焊球失效循环数相差不超过5%.

高压下MgN8晶体结构理论模拟与物性研究

基于密度泛函理论第一性原理的方法,使用CALYPSO结构搜索技术结合VASP软件,在0~100 GPa压强范围内对MgN8的晶体结构进行预测,并对预测的结构进行系统研究。结果表明:在常压下,空间群为P4/mbm的α-MgN8晶体结构的焓值最低;当压强达到24.3 GPa和68.3 GPa时发生相变,分别相变成空间群为P4/mnc的β-MgN8相和空间群为Cmcm的γ-MgN8相,两次相变均为对应体积坍塌的一级相变。电子性质计算结果表明,α-MgN8相的导带与价带之间具有3.09 eV的带隙,表明该结构具有非金属性;β相和γ相具有明显的金属特征。Bader电荷转移计算表明,随着压力的增加,Mg原子向N原子转移的电荷逐渐增多。

环己烷甲酸晶体结构及生长动力学

通过熔融结晶得到高质量环己烷甲酸单晶,并首次报道采用X射线单晶衍射解析所得CCA单晶结构。环己烷甲酸晶体为单斜晶系,空间群为P21/c,晶胞参数为a=1.19113 nm,b=1.07421nm,c=1.10733 nm,β=94.72°,同时利用Material Studio软件预测其晶习。利用DSC测定不同降温速率下的出晶温度与诱导期。通过热台显微镜对环己烷甲酸晶体生长进行了在线观测,对不同温度下的生长速率进行了研究,发现主要显露晶面的生长速率与过冷度为指数关系。

Hf-C体系的高压结构预测及电子性质第一性原理模拟

本论文中,采用晶体结构预测软件USPEX结合第一性原理方法全面地搜索了Hf-C体系在高压下的晶体结构,预测得到了两种新的化合物及HfC在高压下的相变路径.压力低于100 GPa时,除了常压下的结构HfC,Hf_3C_2,Hf_6C_5,并没有得到新的热力学稳定结构.在200 GPa时,预测得到了一种新化合物——Hf_2C,空间群为I4/m;且HfC的结构发生了相变,空间群由Fmˉ3m变为C2/m.在300 GPa时,预测得到了另一种新化合物——HfC_2,空间群为Immm.而在400 GPa时,HfC的结构再次发生相变,空间群为Pnma.通过能量计算,得到了Hf-C体系的组分-压力相图:在压力分别低于15.5 GPa和37.7 GPa时,Hf_3C_2和Hf_6C_5是稳定的;压力分别大于102.5 GPa和215.5 GPa时,Hf_2C和HfC_2变成稳定化合物;HfC的相变路径为Fmˉ3m→C2/m→Pnma,相变压力分别为185.5 GPa和322 GPa.经结构优化后,得到了这四种高压新结构的晶体学数据,如晶格常数、原子位置等,并分析了其结构特点.对于Hf-C体系中的高压热力学稳定结构,分别计算了其弹性性质和声子谱曲线,证明是力学稳定和晶格动力学稳定的.采用第一性原理软件VASP模拟高压结构的能带结构、态密度、电子局域函数和Bader电荷分析,发现HfC(C2/m,Pnma结构),Hf_2C和HfC_2中Hf-C键具有强共价性、弱金属性和离子性,且C-C间存在共价作用.

Zwitternicin A晶体生成习性预测研究

通过重结晶方法,选用不同的溶剂获得了Zwittermicin A晶型A和晶型B,利用红外光谱法(IR)、X-射线粉末衍射分析法(XRD)和熔点法等对Zwittermicin A各晶型物进行了鉴定与表征。同时利用Materials Studio 4.2软件对Zwittermicin A两种晶型物分子进行晶体结构模拟研究,确定二种晶型的晶胞参数和空间群;通过Morphology模块中的BDFH模型,研究了Zwittermicin A各晶型的理论预测晶习,并通过Growth morphology模块研究Zwittermicin A各晶型的主要生长面,初步探讨各晶型晶习形成机理。

高压下Th_(2)N_(2)S的结构相变:第一性原理计算研究

基于第一性原理计算和粒子群优化算法,研究了Th_(2)N_(2)S在0~200 GPa压强范围内的晶体结构和物理性质.研究结果成功再现了常压下的实验相:P3m1相,同时预测了2个高压下的新结构,即I4/mmm相和Cmmm相.确定了一系列由压强诱导的结构相变序列:由P3m1.相转变为I4/mmm相,然后转变为Cmmm,相应的相变压强分别为4.8.2 GPa和156.2 GPa.Th_(2)N_(2)S材料声子色散曲线及弹性常数的.结果表明,Th_(2)N_(2)S的3相是动力学和力学稳定的.力学性质的计算结果表明,P3m1相、I4/mmm相和Cmmm相均为韧性材料,其中,Cmmm相的各向异性程度是3相中最大的.电子结构的计算表明,P3m1相到I4/mmm相的相变是一个半导体-金属相变.

压力下超导RbBSi化合物的预测(英文)

对RbBSi化合物在0~100 GPa压力范围内进行了广泛的群体智能结构搜索。提出了RbBSi的3种不同相,并通过第一性原理计算了其稳定性、电子结构和潜在的超导电性。在所研究的压力范围内,所有预测相在热力学和动力学上都是稳定的。3个相的能带都穿过费米能级,表明结构具备金属性。此外,P4/nmm-RbBSi在常压下的超导转变温度为14.4 K。这项工作加深了人们对碱金属硼硅化合物在超导体领域的理解,有望拓宽碱金属硼硅化合物在超导体领域的应用。

机器学习加速理论晶体结构预测研究进展

理论晶体结构预测可以在给定化学组分的条件下确定材料的晶体结构,已成为材料科学研究的重要工具。然而,该方法一直面临计算成本高的瓶颈问题。近年来,新兴机器学习方法在传统科学计算上展现了广阔的应用前景,逐渐被引入到晶体结构预测领域。本文主要讨论机器学习方法在理论晶体结构预测领域的最新研究进展,分别从加速晶体结构的能量计算和势能面的探索两个方面介绍领域的最新成果,并对未来研究可能的发展提出抛砖引玉的见解。

现代晶体结构预测方法

了解晶体结构是深入理解晶体材料基本性质的途径。目前，通过X-光衍射方法确定材料晶体结构的实验技术已经相对完善，但在某些特殊条件下，确定材料的晶体结构面临着巨大的挑战，此时，

聚热式太阳能发电的市场预测

2008年5月底，国外太阳能利用资深机构对聚热式太阳能发电（CSP）的技术、成本和市场进行了预测分析，今后几年内，在CSP市场的投资将超过300亿美元。报告指出，CSP行业到2020年全球设施的累积投资将高达2000亿美元。