变组分和过渡态结构预测方法及其应用

【摘要】：物质的化学组分作为影响其物性的一个重要变量,为寻找新型功能材料提供了一个崭新的维度,而确定不同组分物质的微观结构是开展新型材料设计要解决的一个关键问题。另外,目前的结构预测方法往往只能给出热力学上稳定的静态结构(基态和亚稳结构),无法为实验提供合成路径信息,因此发展可全面反映相变过程的反应路径全局搜索方法,是实现新型功能材料设计要解决的另一个关键问题。针对以上两个关键的科学问题,我们进行了系统的研究获得了如下创新性的研究成果：1.基于课题组前期发展的卡利普索(CALYPSO)结构预测方法,发展了CALYPSO变化学组分结构预测新方法。我们的方法通过自动构建能量和组分凸形图,并利用粒子群优化算法结合不同组分结构形成焓(能)的计算,实现对能量和组分凸形图进行全局优化,从而确定材料稳定的化学配比和相应的结构。后续利用二元Lennard-Jones经验势模型和LiH等合金体系对该方法的效率进行了测试,测试结果证明该方法具有较高的效率和可靠性。2.我们利用所发展的CALYPSO变化学组分结构预测方法开展了N-H体系的结构搜索,提出两种新型的功能材料一高能量密度材料N2H和高效储氢材料NH7。在富氮条件下,首次预言了由准一维无限长扶手椅型氮链和镶嵌在氮链上的氢原子组成N2H的高压聚合相。理论计算表明其合成压力仅为33 GPa,并且其能量密度和高能炸药材料TNT相当,约为-4.40 KJ/g。高能量密度和低合成压力表明N2H是一种潜在的高能量密度材料。在富氢区域,我们预言一种新型氮氢化合物NH7。其氢的含量高达19wt.%,是目前已知的氢含量最高的氮氢化合物。理论计算的合成压力仅为31GPa。高储氢效率和低合成压力使NH7成为一种潜在的储氢材料。3.固固相变路径的确定一直是物理、化学和材料研究领域的重要课题。本文首次提出通过原子对应矩阵来表征反应路径,并利用矩阵粒子群优化算法对不同原子对应方式进行演化,结合新提出的过渡态优化算法,发展了全新的相变路径全局搜索方法。我们利用该方法对硅的不同相变路径进行探索,从理论上揭示了硅在不同温度下相变序列变化的物理根源：