清華新聞網(wǎng)6月26日電 非晶（無(wú)定形）材料指原子排列缺乏長(zhǎng)程周期性的固體材料，普遍存在于自然界中，也是工業(yè)生產(chǎn)及日常生活中使用最為廣泛的一類(lèi)材料。非晶氧化鎵具有超寬的禁帶寬度和優(yōu)異的物理化學(xué)特性，是制造高功率芯片和柔性光電子器件的重要基礎(chǔ)材料。研究非晶氧化鎵的熱輸運(yùn)特性對(duì)其在能源與光電子器件的熱管理及能量轉(zhuǎn)化等方面的應(yīng)用至關(guān)重要。近年來(lái)，通過(guò)考慮模態(tài)相干作用和非諧性對(duì)熱導(dǎo)率的貢獻(xiàn)，非晶材料的導(dǎo)熱理論取得了一定進(jìn)展，然而，由于非晶材料原子尺度結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性及當(dāng)前實(shí)驗(yàn)和計(jì)算手段的局限性，全面理解非晶材料的結(jié)構(gòu)對(duì)熱輸運(yùn)特性的影響機(jī)理并建立二者之間的定量關(guān)系仍是凝聚態(tài)材料物理中亟待解決的挑戰(zhàn)性難題。
近日，清華大學(xué)航天航空學(xué)院曹炳陽(yáng)教授課題組針對(duì)非晶氧化鎵體系，采用機(jī)器學(xué)習(xí)、分子動(dòng)力學(xué)模擬及實(shí)驗(yàn)測(cè)量相結(jié)合的方法成功揭示了非晶氧化鎵的原子結(jié)構(gòu)特征、熱輸運(yùn)性質(zhì)及“結(jié)構(gòu)—熱輸運(yùn)性質(zhì)”內(nèi)在影響機(jī)制和定量關(guān)系。由于當(dāng)前實(shí)驗(yàn)技術(shù)難以直接觀(guān)測(cè)到非晶材料的三維原子結(jié)構(gòu)，因此研究團(tuán)隊(duì)借助具有量子力學(xué)精度的機(jī)器學(xué)習(xí)勢(shì)函數(shù)模擬熔化—淬火過(guò)程對(duì)非晶材料進(jìn)行原子尺度的準(zhǔn)確建模，并使用非平衡分子動(dòng)力學(xué)模擬、阿倫-費(fèi)爾德曼（Allen-Feldmen，AF）簡(jiǎn)諧理論及統(tǒng)一導(dǎo)熱理論（Unified Theory,UF）對(duì)非晶氧化鎵的熱導(dǎo)率進(jìn)行了研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明基于隨機(jī)結(jié)構(gòu)搜索和玻爾茲曼能量圖采樣而自動(dòng)生成的機(jī)器學(xué)習(xí)勢(shì)可以準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)非晶氧化鎵的結(jié)構(gòu)和熱導(dǎo)率（圖1），同時(shí)揭示出非晶氧化鎵的熱導(dǎo)率由模態(tài)相干作用主導(dǎo)，類(lèi)聲子的模態(tài)傳播作用對(duì)熱導(dǎo)率的貢獻(xiàn)可以忽略。
圖1.非晶氧化鎵熱導(dǎo)率的實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果與理論預(yù)測(cè)值對(duì)比
長(zhǎng)程無(wú)序性的缺失使中短程有序性成為非晶材料最為重要的結(jié)構(gòu)特征，同時(shí)中短程有序結(jié)構(gòu)在很大程度上決定了非晶材料的物理化學(xué)性質(zhì)。為此，研究團(tuán)隊(duì)利用機(jī)器學(xué)習(xí)驅(qū)動(dòng)的淬火模擬揭示了非晶氧化鎵從高密度區(qū)到低密度區(qū)中短程有序結(jié)構(gòu)的變化（圖2）。對(duì)分布函數(shù)的結(jié)果表明非晶氧化鎵的平均鍵長(zhǎng)約為1.9?（圖2b）。此外，研究顯示隨著密度的增加，非晶氧化鎵原子網(wǎng)絡(luò)的平均原子配位數(shù)在增加，類(lèi)四面體環(huán)境的比例在下降，而類(lèi)八面體環(huán)境的比例在升高（圖2c-e）。最短路徑環(huán)的統(tǒng)計(jì)分布隨密度的增加迅速衰減，表明模擬所使用的計(jì)算單元的尺度可保證中程有序結(jié)構(gòu)的復(fù)現(xiàn)（圖2f）。同時(shí)環(huán)分布的結(jié)果表明高密度體系具有與晶體更為相似的中程有序結(jié)構(gòu)。
圖2.非晶氧化鎵短程及中程有序結(jié)構(gòu)的特征分析
為深入分析結(jié)構(gòu)變化對(duì)非晶氧化鎵微觀(guān)導(dǎo)熱過(guò)程的影響機(jī)理，研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步計(jì)算了不同非晶氧化鎵體系的參與比倒數(shù)和模態(tài)擴(kuò)散率（圖3）。參與比倒數(shù)可以衡量振動(dòng)模態(tài)的局域化程度，而模態(tài)擴(kuò)散率則可以描述振動(dòng)模態(tài)攜帶熱量擴(kuò)散的速率。結(jié)果表明振動(dòng)模態(tài)的局域化主要發(fā)生在高頻區(qū)域，同時(shí)局域模態(tài)的擴(kuò)散率整體偏低。隨著材料密度的增加，參與比倒數(shù)在減小，而模態(tài)擴(kuò)散率在增加，說(shuō)明模態(tài)局域化的占比在下降，而模態(tài)在空間上的擴(kuò)展性在增強(qiáng)，最終體現(xiàn)為材料導(dǎo)熱能力的增強(qiáng)。密度對(duì)熱導(dǎo)率的影響可以更深入地歸因于原子尺度的結(jié)構(gòu)對(duì)熱輸運(yùn)過(guò)程的影響。如前所述，體系密度的增加導(dǎo)致了原子平均配位數(shù)的增加及類(lèi)八面體環(huán)境的占比升高，這為熱量的傳輸提供了更多的作用通道，進(jìn)而導(dǎo)致熱傳輸?shù)脑鰪?qiáng)。
圖3.不同非晶氧化鎵體系的參與比倒數(shù)及振動(dòng)模態(tài)擴(kuò)散率分布
從材料信息學(xué)的角度，為建立材料結(jié)構(gòu)與熱導(dǎo)率之間的定量關(guān)系，研究者首次提出了具有物理可解釋性的非晶材料的結(jié)構(gòu)描述器，即結(jié)構(gòu)相似因子（Structural Similarity Factor,SSF）。從原子尺度看，非晶材料與晶體材料具有相似的多面體組成單元，造成二者結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的差異主要來(lái)自多面體單元的連接數(shù)、取向及畸變等方面的差別。SSF正是通過(guò)測(cè)量非晶與晶體材料化學(xué)環(huán)境的相似性來(lái)表示非晶的結(jié)構(gòu)特征。本質(zhì)上，SSF對(duì)材料體系的密度和組分具有很高的靈敏性，SSF越大，表明原子網(wǎng)絡(luò)更稠密，平均配位數(shù)更高，對(duì)應(yīng)材料的熱導(dǎo)率越大。同時(shí)，SSF巧妙地量化了晶體和非晶材料的中程序結(jié)構(gòu)的相似性，SSF越大，非晶材料的中程序結(jié)構(gòu)與晶體越相似，這可以通過(guò)圖2f所示的最短路徑環(huán)分布得到驗(yàn)證。結(jié)果表明SSF與熱導(dǎo)率之間呈現(xiàn)出很強(qiáng)的線(xiàn)性關(guān)系，因而使用少量的數(shù)據(jù)即可構(gòu)建出結(jié)構(gòu)與熱導(dǎo)率間的定量關(guān)系，這將有助于直接從非晶體系的結(jié)構(gòu)信息中快速、準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)熱導(dǎo)率，并加速具有優(yōu)異熱性能的非晶材料的篩選。
圖4.非晶氧化鎵的密度、組分比及結(jié)構(gòu)描述器SSF與熱導(dǎo)率之間的關(guān)系
研究結(jié)果對(duì)于開(kāi)發(fā)非晶氧化鎵電子器件的熱管理技術(shù)具有重要意義，此外，還展示了機(jī)器學(xué)習(xí)模型解決現(xiàn)實(shí)物理問(wèn)題的能力。鑒于非晶相中熱傳輸?shù)膹?fù)雜性和重要性，這項(xiàng)工作為未來(lái)加速探索其他重要非晶材料的熱傳輸特性和機(jī)理提供了一個(gè)新的起點(diǎn)。
上述成果以“結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)與實(shí)驗(yàn)揭示非晶氧化鎵原子結(jié)構(gòu)與熱輸運(yùn)性質(zhì)的相關(guān)性”（Unraveling Thermal Transport Correlated with Atomistic Structures in Amorphous Gallium Oxide via Machine Learning Combined with Experiments）為題，發(fā)表在國(guó)際期刊《先進(jìn)材料》（Advanced Materials）上。
論文通訊作者為清華大學(xué)航天航空學(xué)院曹炳陽(yáng)教授及英國(guó)劍橋大學(xué)工程系加博爾·塞尼（Gábor Csányi）教授，第一作者為清華大學(xué)航院博士生劉源斌（已畢業(yè)，現(xiàn)為英國(guó)牛津大學(xué)博士后），清華大學(xué)為該論文的第一單位。論文其他的重要合作者還包括中科院物理所的梁會(huì)力副研究員、清華大學(xué)航院博士生楊磊、楊光、楊鴻澳等。研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目等的支持。
論文鏈接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202210873
供稿：航天航空學(xué)院
題圖設(shè)計(jì)：李柳依
編輯：李華山
審核：郭玲
