基于多目标粒子群优化算法的新型超硬材料的逆向设计

The search for new low-cost and high-efficiency superhard materials is of great importance in view of their major roles played for the fundamental science and the industrial applications. Recent experiments have made big progress in synthesizing several new superhard materials, but the difficulties associated with synthesis in general remain. Materials design technique is greatly desirable as a request to assist experiment. In contrast to the traditional ground state structure prediction method where the total energy or hardness was solely used as the fitness function, here, taking the new family of materials formed by heavy transition metals and light elements (e.g., Cr, Mn, Fe, Mo, Ru, W, Re and Os borides/nitrides) as prototypes, this project is trying to apply multiobjective particle swarm optimization algorithm into the superhard prediction and codes the derived formula into the CALYPSO software. We aim to seek a proper balance among hardness, energy, bulk modulus, shear modulus, concentration of the light elements, cost of materials, and band gap (or metallicity) for a given chemical system based on the requirements of industry.

由于超硬材料在基础科研和工业生产中具有重要的应用价值，寻找新型成本低、工作效率高的超硬材料是亟待解决的关键问题。探索新型超硬材料的实验工作获得了可喜的进展，但是合成的困难依然存在。从结构预测角度出发，设计新型超硬材料可以为实验获得理想超硬材料提供帮助。此前，新型超硬材料的结构预测和设计都是在按照单一的目标来开展全局搜索，比如或者寻找热力学最稳定结构，或者寻找最硬的结构。本项目拟选取典型的过渡族-轻元素型化合物（如Cr、Mn、Fe、Mo、Ru、W、Re和Os等元素的硼化物和氮化物），以具体的复合多功能硬质材料需求为导向，发展有效的兼顾材料硬度、体系自由能、抗压缩性、抗剪切性、轻元素含量、源材料成本和金属性等多目标的粒子群优化结构预测算法，逆向设计出所需的相关材料。本项目将编写具有自主知识产权的结构预测程序，并集成到CALYPSO软件包，为设计和合成新型复合多功能超硬材料提供有力工具。

本项目选取了典型的过渡族—轻元素型化合物为研究目标，结合利用基于密度泛函的第一性原理方法，以具体的复合多功能硬质材料需求为导向，研究了极端条件下材料晶体结构和硬度、理想强度等力学行为，获得若干设计新型高硬度、高强度材料的规律。代表工作如下：(1) 我们利用CALYPSO结构预测方法，结合基于密度泛函的第一性原理计算，系统的搜索了实验上已经合成的立方相BC结构，并提出了一个新奇的立方相碳结构（d-BC3），空间群为I-43m。每个单胞里含有64个原子，B原子间形成B-B对，全部分布在立方晶胞的体对角线上。d-BC3的XRD和拉曼谱与实验数据符合地很完美，表明我们当前提出的d-BC3是实验合成的立方BC3高压相的理想候选结构。由于d-BC3特殊的成键方式和成键相继破坏机制，d-BC3具有优异的超硬特性和良好的延展性。(2) 我们对硼化钨化合物的结构—强度关系以及原子尺度的形变力学机制进行了系统地探索。一个广泛的预期结果是，材料的硬度和强度会随着硼元素含量的增加而增加。然而，我们的研究工作表明，并不存在这样的关联。这些迥异的力学特性，是由不同配比下的独特的成键类型导致了不同的形变模式进而产生的。不同的原子尺度力学机制对此前的过渡族—轻元素型的高硬度材料的设计理念进行了更新，也为强共价键的结构形变研究提供了知识储备。(3) 以硬度为导向，我们采用CALYPSO结构预测方法，系统的对金刚石等电子化合物三元B3NO的结构进行了搜索。绘制了B3NO结构硬度相对于能量的结构分布图。关注了热力学稳定的大量超硬结构。我们发现了两个主要包含键长短、成键强的三维网状共价键的新结构：Imm2和Pmn21。计算表明我们寻找到的稳定超硬材料潜在的可被应用于太阳能吸收的窄带隙半导体材料。项目执行期间，共发表标注项目号的SCI论文26篇 （SCI影响因子大于3.0文章17篇），包括PRL 3 篇，项目负责人李全博士在国内外学术会议做报告21次。