Herbert Kroemer教授在2000年獲諾貝爾獎的演說中指出“界面就是設備”。當時，他指的是取得巨大成功的微電子領域中半導體異質結器件的設計和應用。而現在，Kroemer教授的預見性早已超出了晶體管領域，並已在一系列技術中得到驗證，其中異質結也獲得了初步成功。隨著電子設備向更小尺寸的發展，界面區域在設備中的比例逐漸增加，展現了界面結構、性能的重要性。此外，研究人員發現材料之間的界面代表了單一材料往往不具備的特性，體現了其獨特的外來特性，例如二維電子氣（或液體）和量子拓撲狀態。顯然，界面的重要性還會隨著現代技術的應用發展而不斷增大，但界面設計在能源材料領域的研究進展如何，尚沒有全面而權威的文章予以介紹。
來自英國Rutherford Appleton實驗室科學計算部SciML的Keith T. Butler教授、美國普林斯頓大學機械與航空航天工程系的Gopalakrishnan Sai Gautam教授、新加坡國立大學材料科學與工程系的Pieremanuele Canepa教授，共同回顧了利用第一性原理計算設計能源材料界面的研究進展。他們首先概述了“鉛筆紙”理論，它是一種解釋電子結構模擬計算材料性能的理論。隨後，他們強調了這些概念在計算能源材料特性中的應用。他們發現能源材料各領域所開發的一系列獨特的、用於計算各自材料性質的技術，有望應用於其他能源領域的材料。最後，他們提出了未來能源材料界面建模需要解決的問題和挑戰，這些挑戰的突破對於成功理解、設計和改進計算材料科學中的界面至關重要。
該文近期發表於npj Computational Materials 5: 19 (2019)，英文標題與摘要如下，點擊https://www.nature.com/articles/s41524-019-0160-9可以自由獲取論文PDF。
Designing interfaces in energy materials applications with first-principles calculations
Keith T. Butler,Gopalakrishnan Sai Gautam & Pieremanuele Canepa
Materials for energy-related applications, which are crucial for a sustainable energy economy, rely on combining materials that form complex heterogenous interfaces. Simultaneously, progress in computational materials science in describing complex interfaces is critical for improving the understanding and performance of energy materials. Hence, we present an in-depth review of the physical quantities regulating interfaces in batteries, photovoltaics, and photocatalysts, that are accessible from modern electronic structure methods, with a focus on density functional theory calculations. For each energy application, we highlight unique approaches that have been developed to calculate interfacial properties and explore the possibility of applying some of these approaches across disciplines, leading to a unified overview of interface design. Finally, we identify a set of challenges for further improving the theoretical description of interfaces in energy devices.
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