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2025年1月
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發布時間: 2021-12-22
自然界中的二維材料就像是樂高積木塊。科學家們從自然界挑選出可以使用的“積木塊”，拼接、堆疊成神奇絢爛的新型材料，讓世界更加豐富多彩。
左：二維材料 右：樂高積木塊
由于所有原子都暴露在表面，相比三維材料更為敏感，很多“二維材料”具有極高的光吸收表面和可調控的“光電性質”，在太陽能電池的設計和實現之中發揮著不可小覷的作用。
計算服務，揭開二維材料異質結“激發態性質”奧秘
“二維材料”蛻變成我們所需的新型材料，并非一蹴而就，其中就有不少“曲折”的故事。
“異質結模型”，通過選取合適的施主和受主兩種不同半導體材料，可以有效地分離和收集載流子，被視為解決太陽能電池設計的核心方案之一。很多二維材料，由于具有極高的光吸收表面和可調控的光電性質，廣泛地應用于太陽能電池異質結中。
其中，二維材料德瓦爾斯異質結在保留理想的光吸收能隙、高載流子遷移率和強可見光吸收等優異特性的同時，更表現出許多新奇的性質，在光電器件方面有著廣泛的應用。
然而二維材料范德瓦爾斯異質結的光電性質，嚴重依賴于層內和層間的激發態電子-空穴對（激子）的相互作用，這時候，傳統的第一性原理基態電子結構計算便難以描述這種激發態性質。
而激發態電子結構研究方法，如含時密度泛函理論 （TDDFT）等，高達六階的計算復雜度，傳統軟件只能處理幾十個原子以內的中小體系。這些高標度方法由于其數據通訊多，內存需求大，堆棧訪存多，難以實現大規模并行計算。
通過曙光提供的計算服務支撐，近日，中國科學技術大學專家課題組將通過第一性原理激發態電子結構計算模擬，借助于自主開發的ISDF+TDDFT加速算法計算，研究二維材料異質結的激發態光電性質，調控其激子的行為，為實驗上設計新型高效光電器件應用提供有效地理論支持！
課題組根據電偶層理論和基于自主開發大規模并行計算軟件的理論模擬，設計出不需要選擇兩種不同半導體材料，僅僅由氫化（施主材料）和氟化（受主材料）磷烯納米層即可構成的新型太陽能異質結模型，對太陽能量的轉換效率高達20%。
專家組開發PWDFT，實現大規模并行運算
上文中，二維材料激發態光電性質研究的主要工具是PWDFT。它是一款基于平面波(PW)基組的第一性原理計算開源軟件，可實現固體材料和分子體系的電子結構計算和分子動力學模擬。該軟件可以用于復雜體系的光學、電學、磁學和熱學等物理性質的計算，面向材料，生物和醫藥領域的大分子的動力學模擬；面向豐富材料基因組數據，結合人工智能算法和高通量計算實現功能材料快速發現等等領域。
目前，PWDFT不僅可以實現常規計算，也可以進行高精度雜化泛函求解。由于使用了先進算法，再加上優秀的并行設計，PWDFT并行效率實現大幅突破。僅需要短短幾分鐘，PWDFT便可以完成數千原子的TDDFT激發態電子結構計算模擬，實力領先本領域內的其他平面波軟件。
此次借助曙光計算服務，為中國科學技術大學專家課題組提供可以承載高效激發態電子結構計算和分子動力學模擬的高端算力平臺。同時，按需按量為其提供計算、應用、數據、調優、咨詢、運營、運維等的一站式服務。未來，曙光將繼續為量子化學、計算材料學等對計算有著龐大需求的領域，提供像“自來水”一樣即開即用的海量算力，推動計算產業和各科學領域蓬勃發展。
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