J. Phys. D: Appl. Phys.:2019年度的材料设计

【引言】

可再生和可持续能源技术的进步在很大程度上取决于研究者设计具有最佳性能材料的能力。计算方法通过快速和全面地预测材料稳定性和性能来加速材料的设计过程。计算材料属性数据库中的理论预测材料数量，现在可与晶体数据库中的实验条目数量相媲美。更重要的是，计算材料学的发展也加速了新兴功能材料的开发速度。材料设计出版物的数量几乎呈指数增长，通过ab initio计算和用于运行高通量计算研究促进了材料设计的发展，从而加速了材料的设计研究。尽管基于材料计算的材料设计取得了阶段性的胜利，但这种设计理念相对较新，需要进一步深入研究。

【成果简介】

这篇综述概述了计算材料预测方法，合成过程和表征方法，以及这些计算和实验技术在各种能源相关技术中的应用。文章还讨论了通过设计方法改进材料必须解决的问题和未来机遇。这篇综述邀请了每个领域的主要研究人员对领域内的相关问题进行讨论，并提供他们对材料设计领域的看法和愿景。文章涵盖的主题包括计算技术，结果验证，材料数据库，材料信息学，高通量组合方法，高级表征方法，以及热电学，光伏，固态照明，电池，金属合金中的材料设计问题。该成果以题为“The 2019 Materials by Design Roadmap”发表在J. Phys. D: Appl. Phys.上。

【图文导读】

Figure 1.材料设计出版物数量的变化

(a).无机晶体结构数据库（ICSD）和计算数据库中包含的化合物总数

(b).“材料设计”相关的出版物数量

Figure 2.材料设计方案示意图

Figure 3.通过PBE、ACBN0、HSE/GW获得的理论值与实验的差距

Figure 4.与已知实验数据相比，二元合金形成的高通量计算分析

Figure 5.计算过程的示意图

Figure 6.应用于晶格热导率和德拜温度的AGL计算方法的验证研究

Figure 7.高通量理论和实验的整合

Figure 8.实验和数据分析流程

Figure 9.设计用于研究助焊剂反应过程中相形成的原位毛细管炉的示意图

(a).使用X射线衍射原位监测相形成

(b).Cu-K₂S₃反应的全景图

Figure 10.在低浓度和高浓度的稳定剂下原位合成Pt纳米结构

(a).时间分辨的X射线衍射

(b).在Pt（111）峰下面积的时间演变，表示生长阶段I-IV

(c).阶段I-III的Pt纳米颗粒生长机制的示意图

Figure 11.通用材料信息学工作流程

Figure 12.材料信息学中的网络分析方法

Figure 13.多维材料发现的简化图示，显示了不同元素，化学计量和结构

Figure 14.与基态结构相比，亚稳态材料的示意图以及它们的合成

Figure 15.多尺度多物理的计算材料设计

(a).从溶液中结晶的多个途径

(b).在有和没有催化剂C的情况下，从反应物X和Y到产物Z的势能曲线

(c).获得亚稳相合成路径的广义自由能-压力相图

Figure 16.亚稳，混合和分层结构的探索性合成

(a).具有和没有GaAs壳的GaAsSb半导体纳米线

(b).在亚稳态岩盐结构中拓扑绝缘体SnSe的晶体结构，通过GaAs衬底上的低温分子束外延稳定

(c).理论辅助的合成

Figure 17.热电发电机效率随时间的变化

Figure 18.一些材料的热电性能

Figure 19.卤素钙钛矿材料和器件的创新空间示意图

Figure 20.OPV材料开发中使用策略的时间表

Figure 21.磷光体转换（pc）和颜色混合（cm）LED的发射光谱

Figure 22.使用高强度蓝色激发加速磷光体的可靠性测试

Figure 23.八面体顶部位点的广义配位数和用于蒙特卡罗催化活性建模的Pt粒子的CO氧化活性

Figure 24.CO催化Co解离的原子分辨率原位扫描隧道显微镜图像

Figure 25.利用高通量技术和数据科学开发锂电池材料

Figure 26.未来的锂电池发展路线图

Figure 27.铁材料中的一系列功能响应和命名效果表

Figure 28.将高通量计算与先进合成相结合，来设计高性能功能材料

Figure 29.Al掺杂的ZnO TCO薄膜的光学反射，透射和吸收光谱

Figure 30.Al掺杂ZnO薄膜TCO与Ag-NW/ZnO复合透明导体透射光谱的比较

【小结】

可再生和可持续能源技术的进步关键取决于设计和实现具有最佳性能材料的能力。材料的发现和设计涉及材料预测，合成和表征之间的紧密结合。材料计算工具的增加，材料数据库的生成以及实验方法的进步大大加速了材料的开发。因此，现如今是通过设计方法重塑材料未来前景的适当时机。这篇综述概述了计算材料学的现状，综合和表征方法，各种技术的材料设计需求，以及必须解决的挑战和机遇。文章讨论范围涵盖了计算技术，材料数据库，材料信息学，高通量组合方法，高级表征方法以及热电材料，光伏材料，显示材料，催化剂，电池，金属合金等方面。作者希望这篇综述可以指导研究人员和资助机构共同构建材料设计的新前景。

The 2019 Materials by Design Roadmap

(J. Phys. D: Appl. Phys., 2019, DOI: 10.1088/1361-6463/aad926)

本文由材料人学术组tt供稿，欧洲足球赛事 整理编辑。

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