1-26、无机电子材料的高通量预测与材料基因研究

张秀文^*

深圳市柔性存储材料与器件重点实验室，深圳大学电子科学与技术学院

摘要：高性能、高稳定性无机电子材料是微、纳电子技术发展的关键因素之一。新型纳电子技术面临着小尺度量子效应的挑战与机遇，对无机电子材料设计及其物理效应研究提出了新的要求。本文详细介绍了服务于纳电子技术发展、基于材料基因思想的新型无机电子材料高通量预测及其新效应研究。首先介绍了新材料的高通量预测方法，包括基于遗传算法、晶体结构数据库等的材料结构搜索方法以及材料稳定性及生长条件的第一性原理预测手段；经过大量测试验证后，运用这一方法预测了几百种稳定的新型无机电子材料，分析得到了新材料稳定性、晶体结构等的分布规律。进一步研究了新材料的物理性质与材料功能，包括以下几个方面。（1）计算了新材料的光学吸收特性，模拟了新材料作为薄层太阳能电池吸收层材料的内量子效率，发现了几类高效太阳能电池材料。（2）开展了掺杂透明导电体的逆向设计，通过对大量三元无机材料的稳定性计算、晶格对称性与电子结构模型分析、光学吸收系数计算、掺杂特性计算，筛选出一种具有高空穴迁移率的P型透明导电体TaIrGe，与实验合作实现了该透明导电体，发现其室温空穴迁移率高达2730 cm²V^-1s^-1。（3）预言了几种不需要掺杂的本征透明导电体，研究了其金属性电子结构、等离子体频率、带间光跃迁对透明性的影响，计算了其电导率以及1微米厚薄膜的光学透射率和反射率，同时在一种本征透明导电体中发现了周期性排布的二维电子气。（4）预测了一种由不同维度的结构混合成的柔性无机半导体RbCuTe，并指导实验合成了该材料，由于其一维Cu-Te纳米带可以在三维Rb晶格中转动，RbCuTe可以承受30%以上的应变，而且电子结构随应变变化很小。（5）在钙钛矿氧化物材料中发现了一种可以引起拓扑能带反转、形成拓扑绝缘体的材料基因，分析了该材料基因导致拓扑能带反转的物理机制，进一步发现该材料基因的形变会移除能带反转。通过分析电子结构与稳定性间的关系，提出过大的能带反转是导致材料基因形变的主要原因，研究了拓扑能带反转与材料稳定性之间的竞争关系，发现了两者共存的区间，该区间在常压下只有0.8 eV能带反转值左右，在20GPa压强下就可以达到2.5 eV以上。（6）系统研究了与非磁性材料中自旋极化相关的材料基因，提出非磁性材料自旋极化源于局域晶格对称性的观点，从原子位置点群对称性与晶格宏观对称性的角度对非磁性材料中5种不同类型的自旋极化效应进行了分类研究，包括经典的Rashba效应和Dresselhaus效应，2种隐藏的自旋极化效应和1种新型Dresselhaus效应。针对具有隐藏自旋极化效应的材料，研究了具有规范不变性的局域自旋极化，分析了局域自旋织构与局域对称性间的关系。该系列研究为进一步的材料设计提供了更多备选材料和新型物理效应，为基于材料基因思想的电子材料设计与实现提供了前期基础。

通讯作者：张秀文，0755-26901883，Email: xiuwenzhang@szu.edu.cn

DOI:10.12110/secondfmge.20181014.126