高端制造業水平是衡量一個國家綜合實力和現代化程度的重要標志,而材料是制約高端制造業發展的最大瓶頸。溫州市政府近年重點建設新興產業鏈領域包括數字經濟、智能裝備、生命健康制造、新能源及節能以及新材料領域。對于這些新興產業的培育,開發具有自主知識產權新材料是其關鍵環節。
“溫州熱電”第一性原理計算數據庫主頁
熱電材料是一類能實現電能和熱能相互轉換的功能材料,它在廢熱發電、光熱發電、小型化或特殊工況致冷等方面有很好的應用前景,且在航空航天和國防領域有不可替代的戰略價值。材料科學第四范式需以巨量數據產生和處理能力為支撐,因而獲取巨量材料數據已成為“材料基因組計劃”的關鍵,將之用于新型熱電材料研發有望加速其應用進程。目前世界三大材料數據庫Materials Project,AFLOW和OQMD有若干通用物理量的數據,包括結構和電子能帶,但熱電材料由于其特殊性,材料電、熱輸運性質計算比較復雜,計算量較大,這些數據庫都未涉及材料熱電輸運性質。
本著“研究真問題,真研究問題”的新時代科研精神,在目前經費與條件極其有限的情況下,溫州大學邵和助課題組圍繞熱電優值的ZT(=S2σT/κ)表達式搭建了一個高通量計算框架,構建了一個基于第一性原理計算的熱電材料數據庫,還為其搭建了一個搜索網頁:https://hezhu2024.github.io,向學術界和工業界免費公開。
該工作得到溫州市基礎性工業科研項目(項目名稱:基于材料基因組方法的高性能熱電材料開發,項目號G20210016,項目起止時間2022.1至2024年.12)的支持,另外溫州大學電氣與電子工程學院也為課題組在計算服務器(目前建有10個計算節點)搭建上提供了大力支持,因而該材料數據庫命名為“溫州熱電”(Wenzhou TE)。
下一步,若條件許可課題組將會分階段提升數據庫中計算材料數據的可靠性,包括以下幾個方面:對于材料熱輸運,將計算考慮三聲子散射的熱導率;當前能帶結構計算方面,都是采用PBE方法,下一步將用雜化泛函方法去計算材料電子結構;對于電子壽命的計算,下一步將考慮電聲耦合效應下的載流子壽命計算;這些改進都需要耗費大量的計算資源。另外我們將計算更多之前比較難處理的材料體系。
上述工作近期以“Wenzhou TE: A First-Principle-Calculated Thermoelectric Materials Database”為題發表于開源期刊Materials (2024, 17, 2200, DOI:10.3390/ma17102200),供讀者免費獲取。溫州大學邵和助為通訊作者,文章第一作者為課題組研究生方盈。