物理学：超级计算机预测复杂混合材料的光学和热学性质！
分层混合钙钛矿的分子结构。利用新的计算模型，研究人员可以改变夹层有机链的长度以及无机结构的元素，并预测所得材料的电子特性。图片来源：杜克大学。
杜克大学的材料科学家们通过计算方法预测了由无机结构夹在中间的有机分子制成的半导体的电学和光学特性。
这些类型的所谓分层“混合有机 - 无机钙钛矿”——或HOIP-是太阳能电池和发光二极管（LED）等基于光的器件的流行目标。能够逐个原子地构建这些材料的精确模型将使研究人员能够探索下一代设备的新材料设计。结果于10月4日在线发表在Physical Review Letters上。
“理想情况下，我们希望能够独立地操纵这些类型材料的有机和无机组分，并创造具有新的，可预测性质的半导体，”杜克大学机械工程和材料科学的Simon家庭教授David Mitzi说。“这项研究表明，我们能够通过复杂的超级计算机模拟来匹配和解释这些材料的实验性质，这非常令人兴奋。”
HOIPs是一种很有前途的材料，因为它们的有机和无机成分的综合优势。有机材料具有更理想的光学性质并且可以是可弯曲的，但在传输电荷方面可能是无效的。另一方面，无机结构通常擅长导电并提供更强大的机械强度。
结合这两者可以影响他们的个人财产，同时创造具有两全其美的混合材料。然而，理解它们相互作用的电子和原子尺度后果充其量是挑战，因为所得到的晶体或薄膜可能在结构上复杂。但由于这些特殊的HOIP在有序层中具有有机和无机成分，因此它们的结构更容易建模，研究人员现在开始在计算上预测它们在原子水平上的行为。
“我们使用的计算方法很少应用于这种尺寸的结构，” Duke 的机械工程和材料科学与化学副教授Volker Blum说。“即使在10年前，我们也无法做到这一点。即使在今天，如果没有世界上最快的超级计算机之一，这项工作也是不可能实现的。”
这台名为Theta的超级计算机目前是世界上第21快的，并且位于阿贡国家实验室。该集团通过Blum获得了十几个Theta Early Science Projects之一，从而为该庞然大物赢得了时间，旨在为其他应用程序在2017年底首次推出的系统上运行铺平道路。他们现在是一个共同调查员能源部享有盛誉的“创新和新颖的理论和实验计算影响”（INCITE）奖项，使他们能够继续他们的工作。
在新研究中，Chi Liu是Blum实验室的研究生; Yosuke Kanai，北卡罗来纳大学教堂山分校的理论家; 阿尔贡国家实验室的科学家Alvaro Vazquez-Mayagoitia利用Theta的计算能力对十多年前Mitzi首次合成的分层HOIP中的电子状态进行建模。虽然材料的电学和光学特性是众所周知的，但它们如何出现的物理背景却引起了很多争议。
该团队现在已经解决了辩论！
在一系列计算模型中，该团队计算电子态并定位HOIP组成材料的价带和导带，有机双（氨基乙基） - 噻吩（AE4T）和无机溴化铅（PbBr4）。这些特性决定了电子如何穿过两种材料并在两种材料之间穿过，这决定了它吸收和发射的光的波长和能量，以及其他重要特性，如电导率。
结果表明，团队的计算和实验观察相匹配，证明计算可以准确地模拟材料的行为。
然后，刘进一步调整材料 - 改变有机分子链的长度，用氯或碘代替无机结构中的溴 - 并进行额外的计算。在实验方面，Mitzi和合作者Wei You，北卡罗来纳大学教堂山分校的化学和应用物理科学教授正在研究合成这些变化的艰巨任务，以进一步验证他们同事的理论模型。
这项工作是一项名为HybriD3项目的大型计划的一部分，旨在发现和微调新的功能性半导体材料。协作工作共有六个研究小组。加入位于杜克大学和北卡罗来纳大学教堂山分校的研究人员，北卡罗来纳州立大学的Kenan Gundogdu和Franky So教授正致力于进一步描述该项目所制造的材料，并探索原型发光装置。
“通过使用相同类型的计算，我们现在可以尝试预测尚不存在的类似材料的属性，”Mitzi说。“我们可以填写这些组件，并假设结构没有根本改变，为材料科学家提供了有希望的目标。”
这种能力将使科学家们能够更轻松地为各种应用寻找更好的材料。对于这类特殊材料，包括照明和水净化。
无机光源通常被漫射器包围以散射和软化它们强烈的聚光，这导致效率低下。这类分层的HOIP可以制作更自然地实现这一目标的电影，同时浪费更少的光。对于水净化，该材料可以定制为在紫外线范围内有效的高能量发射，可用于杀死细菌。
“该项目的更广泛目标是在这类材料中找出材料空间，远远超出本研究中所见的有机噻吩，”Blum说。“关键是我们已经证明我们可以通过这个概念验证来进行这些计算。现在我们必须努力扩展它。”
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