机器学习在材料设计方面的研究进展

新材料的发现是推动现代科学发展与技术革新的源动力之一,是当前促进经济发展与解决环境问题的迫切需求.传统的材料研发基于试错法,效率低且成本高.大量实验与计算模拟产生的数据为新材料的研发提供了新契机.基于这些数据,机器学习最近在材料性能预测、新材料的发现与设计等领域取得了很大进展.譬如基于材料项目(materials project)数据库对钙钛矿材料的统计分类、结合高通量计算对双钙钛矿卤化物材料稳定性的预测,以及金属间化合物电催化剂的设计与筛选等.除了基于隐式模型的预测,机器学习也可以用来发现具有物理可解释性的显式描述符,从而加速新材料的发现.     

面向合成生物学的机器学习方法及应用

机器学习的目标是设计可以根据先验知识和观测数据不断改进其性能的算法.该算法可以帮助机器从大量的数据中提取知识,从而提升其在特定任务上的性能.作为数据驱动的方法,机器学习可以有效利用高通量实验技术产生的大批量生物数据,实现合成生物体的功能预测与智能化设计,改变合成生物学的研究范式.本文首先介绍机器学习在合成生物学领域广泛应用的几个模型及方法,如支持向量机、神经网络、生成式对抗网络、深度强化学习等.然后介绍机器学习方法在合成生物学领域的典型应用,如启动子预测、酶催化设计、代谢途径构建、基因线路设计等.本文综述面向合成生物学的机器学习方法及应用,并试图启发读者如何选择和设计机器学习方法用于合成生物学的研究.     

单晶硅表面溴化键合光敏染料及其表面光电压

当今,新型光电功能材料的开发和利用是非常活跃的研究领域。半导体材料的研究在这一领域占有重要地位.为了改善半导体材料及器件的光电性能,提高光电转换效率及拓宽光谱响应范围等,人们利用金属离子掺杂,或将有机半导体通过吸附、涂层、沉积等物理方法固定在无机半导体表面,已获得卓有成效的效果。     

机器学习与计算力学的结合及应用初探

自20世纪50年代以来,随着计算机科学的不断进步,机器学习和数据科学得到了长足发展.这些技术一般依靠大量数据作支撑,通过训练过程提取出蕴藏在数据内部的抽象映射关系,目前已被成功应用于化学、生物等自然科学研究领域.近年来,这些技术也逐渐受到计算力学领域研究者的关注.本文结合作者的相关研究成果介绍了机器学习、数据科学与计算力学相结合的3种形式:第一种是与有限元方程求解方面的结合,直接应用卷积神经网络算法求解线性有限元方程;第二种方式结合有限元计算和机器学习预测复杂材料结构与力学性能的关系.本文作者应用该方法基于细观页岩扫描照片和随机建模算法,成功训练出可以有效预测细观页岩样本等效模量的卷积神经网络;第三种方式是建立基于数据驱动的计算力学方法,比如直接利用真实的材料实验数据代替材料本构模型.这些工作显示了机器学习、数据驱动在处理材料的力学实验数据、设计新型材料以及创建更高效的计算力学模型方面的广阔前景.随着计算力学的发展,未来将可能出现更多将数据科学、机器学习与计算力学相结合的应用场景,进一步开发出更加强健、高效和保真的计算力学方法.     

单晶硅表面键合光敏染料的研究

80年代以来,随着半导体光电技术的飞速发展,光电器件在越来越多的领域中得到应用.但是,由于半导体材料本身性质上的限制,使其在光电转换及光谱响应范围等方面还存在着许多问题.例如,目前的硅太阳能电池,其光电转换效率已达17％,这与理论值21.6％已经很接近,要想突破21.6％的理论值,就必须寻求新的途径,彻底改变光电材料的性质.在单晶硅表面键合光敏染料,正是在这方面的一种探索.     

面向分子科学的数据智能

分子科学是化学的核心,也是生物、材料、药学等学科的基础.传统的分子科学研究通过实验或理论手段进行,研究成本高、周期长,难以处理高复杂度体系.随着大数据时代的到来,数据驱动的人工智能研究已成为继实验、理论和模拟之后的第4种科学研究范式.数据驱动的机器学习凭借其快速高效的数据处理能力,在分子科学领域展现出巨大的发展潜力.尤其是在分子性质预测、分子设计、化学反应预测及逆合成、量子化学计算、自动化合成等领域获得了广泛应用.本文首先介绍面向分子科学数据智能研究过程中的3个关键部分,即分子科学开放数据集、分子描述符和机器学习算法;然后,列举机器学习在不同分子科学研究方向中的重要应用案例;最后,分析讨论该研究领域可能存在的挑战及潜在发展方向.     

第五主族材料:从三维到单层材料

自从2004年石墨烯的成功制备,近10年以来,见证了二维材料在凝聚态物理、材料科学以及化学等领域的飞速发展.尽管石墨烯具有迁移率高、透光性好、柔韧度大等优点,但当其作为半导体材料时,却是一个零带隙半导体.因而,研究者便将目光集中到与之相邻的一族元素—第五主族层状结构的磷、砷、锑和铋.剥离出二维结构的第五主族纳米材料(磷烯、砷烯、锑烯和铋烯)展现了许多新奇的、前所未有的特性,在电子器件与光电纳米器件的应用上有着无限的前景和价值.本文将从理论计算模拟和实验进展两个方面,系统总结磷烯、砷烯、锑烯和铋烯的物理、化学性质以及相关研究的进展.最后,基于磷烯、砷烯、锑烯和铋烯材料目前的研究现状,将对其在未来的研究前景和探索方向进行展望.     

量子阱激光器高频建模技术研究

介绍了用于高速光电集成电路设计的量子阱半导体激光器高频建模技术, 以及相应的模型参数提取技术. 上述等效电路模型基于激光器的物理速率方程, 可以分析器件的小信号和大信号特性, 通过和测量数据的比较验证了等效电路模型的正确性.     

CALYPSO结构预测方法

凝聚态物质内部的原子排列方式,即结构,是深入理解其宏观物理和化学性质的重要信息.只根据物质的化学组分从理论上开展物质的结构预测是物理、化学和材料科学长期的期盼,但一直是个巨大挑战.基于结构对称性的分类检索思想,结合粒子群多目标优化算法,引入成键特征矩阵的结构表征方法,提出并发展了卡里普索(CALYPSO)结构预测方法,并在此基础上开发了拥有自主知识产权的同名结构预测软件包.该方法和软件只需给定材料的化学组分和外界条件(如压力),就可以预测材料的基态及亚稳态结构,并可以进行功能材料逆向设计.CALYPSO方法的高效可靠性已经在科研实践中得到了证实.目前该方法已经被广泛应用到三维晶体、二维层状材料和表面、零维的团簇等体系的结构研究领域,成为理论确定材料结构的有效手段.     

自驱动马达在复杂环境中的设计和介观模拟

基于泳机理自驱动的微/纳马达动力学现象十分丰富,相关理论研究属于软凝聚态、统计物理和纳米科技交叉学科新兴的前沿领域.对自驱动马达进行模型设计、探索马达与复杂环境相互作用,具有潜在的应用意义.本文首先介绍了一种高效的介观模拟方法——多粒子碰撞动力学基本方法,以及结合了分子动力学和化学反应的联合算法;接着简要描述了马达基于泳的自驱动机理,并简单回顾了马达数值模拟研究的相关进展;最后概述了应用多粒子碰撞动力学方法对自驱动马达研究的结果,包括广泛地建模与设计,以及马达与复杂活化环境相互作用动力学.     

声学计算超材料

尽管数字信号处理器已广泛用于执行复杂计算任务,但仍存在诸多不足,譬如模-数转换器成本高昂、运算复杂度高、低速和高功耗等.出于这个原因,最近人们对基于波的模拟计算产生了浓厚的兴趣.这种计算避免了模-数转换并可以执行大规模并行运算,特别是借助人工设计的超材料,一些对声波进行模拟计算的新方案陆续被提出.这种被称为计算超材料的计算系统,其计算速度可以与波速一样快,尺寸与波长一样小,可以对传入的波包进行复杂的数学运算,甚至可以执行积分、微分方程的计算.这些功能有望实现基于声波传播的新一代超快速、紧凑和高效的计算硬件.本文讨论了声波计算超材料领域的最新进展,调研了用于执行模拟计算的最新的超结构.接着,进一步介绍了声波计算超材料的应用,包括图像处理、边缘检测、方程求解和机器学习.最后,对研究的关键问题和未来可能的方向进行了展望.     

半导体纳晶多孔TiO2薄膜的特性研究

半导体纳米超微粒作为不同于本体材料的一类新型材料,在化学、物理及材料等领域中研究十分活跃。由于颗粒尺寸减小出现能带量子化和表面迅速增大引起的表面效应等,进一步导致了光化学和光物理不寻常的行为,这充分显示了它在光电功能材料方面广泛应用前景。半导体纳米超微粒常在胶体溶液中制备,但在胶体溶液相中形成的纳米超微粒往往因其稳定性差和不易形成固体材料的局限,使其实际应用受到了一定的影响。近来有人提出研究半导体纳米超微粒(纳晶)薄膜,这种固体薄膜具有半导体纳米超微粒的一些光化学、光物理特性,而且结构性能稳定。因此,半导体纳晶薄膜成为当前新型光电功能材料发展研究中的一个新的方向。本文报道了半导体纳晶TiO_2薄膜的制备、形成及其性能。     

超细半导体纳米线/棒的可控合成与新奇性质研究及功能应用

超细半导体纳米线/棒是近年来发展起来的一类新型功能纳米材料,由于其具有接近原子尺度的直径和高度的结构各向异性,而表现出强烈的量子限域效应和界面效应,以及由此所伴生的诸多新奇的物理和化学性质,在光电器件与传感检测等领域具有广阔的应用前景,是纳米材料领域研究的前沿和热点.鉴于其独特性和重要性,本文系统总结了超细半导体纳米线/棒领域近年来的研究和应用进展,着重介绍了其制备方法和光学、电学、磁学等新奇性质及其在光电转化、光电探测、光催化、气体传感等领域的应用原理和重要进展;在此基础上挖掘了调控其生长过程和理化性质的内在规律,凝练了该领域发展中所面临的关键难题,展望了未来可能的发展方向,希望借此推动这类特殊纳米材料的快速发展.     

基于芳香性聚酰亚胺的光电功能材料及器件研究进展

聚酰亚胺是一类重要的高性能聚合物,具有优良的热性能、机械性能和电学性能.近年来,芳香性聚酰亚胺作为新型光电功能材料在有机太阳电池、场效应晶体管、电存储等有机光电器件中的应用价值日益凸显,引起研究者的广泛关注.本文根据芳香性聚酰亚胺的分子结构特点,从光电功能化方法和材料制备策略出发,全面归纳和总结了芳香性聚酰亚胺在光电子器件领域的研究进展,阐述了此类材料的分子结构设计与光电性质以及光电器件性能的内在关系,为今后开发新型高效芳香性聚酰亚胺光电功能材料和器件提供参考.     

拓扑量子材料的研究进展

拓扑量子材料近年来已经成为凝聚态物理领域研究的国际前沿课题。在过去的几十年中凝聚态物理学者对量子霍尔效应进行了广泛研究,提出了一种基于拓扑序的研究范式,并且将拓扑这一数学概念与能带理论相结合,成功将其引入到固体电子材料的理论、计算与实验研究之中。拓扑材料具有奇特的表面态和低能耗的电子输运等性质,这些效应是由于拓扑量子态受到严格的对称性保护,对于普通的材料杂质、缺陷或无序具有很高的鲁棒性,并可以通过量子调控或相变改变其拓扑性质。这一新兴研究领域为未来的电子材料和器件,乃至基于量子拓扑体系与计算的信息技术创新探索提供了多种可能。对整个材料学的发展而言,拓扑概念的引入使人们对物质的研究更加深入,并且开始使用更加先进的数学工具描述新材料的属性。文章从拓扑绝缘体和拓扑半金属等材料计算科学的角度探讨拓扑量子材料的一些基本概念以及近年来国内外的研究进展。     

蓝宝石雕刻:干法刻蚀辅助激光加工技术

正硬脆材料主要包括金刚石、蓝宝石、光学玻璃、半导体、高硬度合金、陶瓷等.这些材料具有抗腐蚀、耐高低温、抗磨损、硬度高、脆性大等特点,在包括特种空间光学窗口、弹药研制、光电器件、消费电子等在内的诸多领域具有广阔的应用前景.其中,蓝宝石由于其覆盖紫外至中红外的高透过率、超高硬度、良好的热稳定性和化学稳定性等优良的物理、化学和光学性质,已被广泛用于军事、工业、医学和航空航天等领域.硬脆材料具有优异的光电特性以及稳定的机械化学稳定性,在实际应用中发挥了重要的作用.     

有机-无机范德瓦尔斯异质结界面的光电过程

近年来,有机-无机范德瓦尔斯异质结由于其低成本加工和高性能而在光电应用领域引起了极大的关注.无机的二维材料具有光暗电导比高、载流子迁移率高、稳定性高以及使用寿命长等优点,但是其吸收带窄、可选材料较少、生产成本高;而有机材料具有低成本、透明、柔性、重量轻和易加工等优点,但其介电常数低、载流子迁移率低.如果通过合理的界面设计将二者相结合,扬长避短,有望获得更加优良的光电性能.目前国际上已有多个研究组在这个领域进行了探索性的研究,主要集中在材料的探索和器件功能性的开发,但是其背后的物理原理还不清晰.而微观机理的研究离不开先进的表征技术和测量方法的发展,因此本文旨在总结目前该领域研究进展的基础上,重点介绍有机-无机范德瓦尔斯异质结界面光电子学的表征方法,主要集中在以下3个方面:界面处材料的结构与分子表征、电子结构与局域态表征和微观动力学过程.此外,还针对该领域存在的问题提出了潜在的表征手段,进一步讨论了该领域可能的发展方向.     

基于第一性原理计算的低维功能材料分子设计

低维材料具有高比表面积以及独特的物理化学特性,是未来能源、信息等技术领域的重要研究内容,但如何实现特定结构和功能是其实际应用的基础.分子是保持化学结构和特性的最小单元,从分子基元出发,可以实现低维材料结构预测以及功能导向的理论设计.本文综述了低维功能材料理论设计方面的研究进展,结合分子设计策略和第一性原理电子结构计算方法,针对特定结构和性能开展理论设计,预测了复杂二维单质晶体结构以及一系列低维新型光催化材料和自旋电子学材料,并揭示了低维材料功能和分子基元物性之间的对应关系,总结和展望了低维功能材料分子设计的优势与挑战.     

高迁移率聚合物半导体材料

作为有机场效应晶体管的重要组成部分,有机半导体材料对器件性能有着重要的影响.相对于小分子半导体材料而言,聚合物半导体材料因其具有更容易溶液加工、适用于室温制备等优势,得到了研究者的广泛关注和研究.从20世纪70年代至今,聚合物半导体材料及其光电器件均得到了突飞猛进的发展.经过研究者们的不断探索创新,各种结构新颖的聚合物半导体材料层出不穷,器件制备工艺也不断优化改进,使得聚合物场效应晶体管的载流子迁移率从早期的10–5 cm2 V–1 s–1提升到了如今的36.3 cm2 V–1 s–1,在聚合物场效应材料分子结构的设计合成方面积累了丰富的经验,同时其内在电荷传输机理也随着材料和器件性能的提高不断明朗.本文以分子结构作为切入点,分别从p型、n型及双极性3种载流子传输类型方面对近5年报道的高迁移率聚合物半导体材料进行了系统的总结与归纳,同时还简要分析了聚合物半导体材料中的电荷传输机制及优化方法,希望对研究者进一步设计和合成更高性能的聚合物半导体材料及器件构筑起到一定的指导作用.     

耦合反馈激光混沌振幅调制全光逻辑门及光电复合逻辑门研究

理论研究耦合反馈半导体激光器混沌同步及其在光学数字逻辑门中的应用, 构建了三种基本的全光XNOR, NOR, NOT 门以及光电复合NOR 光学数字逻辑门的物理模型, 定义了这些逻辑门的计算原理和方法. 基本物理方法是, 让外部光注入到2 个激光器中产生激光混沌输出, 通过两激光器激光的相互耦合及反馈实现混沌同步. 在此基础上, 利用光的外部调制方法让两相互耦合激光分别在振幅调制下控制混沌同步或非同步, 实现了全光逻辑门的功能与计算. 然后联合激光的外部调制和激光器电流调制, 控制混沌同步或者非同步, 实现了光电复合逻辑门的功能与计算. 另外, 详细地数值分析了激光混沌再同步与再非同步对逻辑输出影响等问题, 结果证明了该方案的科学合理性与可行性.