4-27、上海大学第一性原理高通量计算平台与材料应用案例
High-Throughput First-Principles Materials Informatics Platform in Shanghai University and Case Studies of Materials

杨炯¹，席丽丽¹，骆军^1,2，刘斌²，朱文浩³，张文清^1,4*

1.上海大学材料基因组工程研究院，2.上海大学材料学院，3.上海大学计算机学院，4.南方科技大学物理系

摘要：材料基因组计划是一种加速材料设计、研发、应用的一种有效手段。其融合了材料、物理、化学、计算机、数学、生物等领域，是一门具有很高发展前景与前瞻性的应用学科，成为近年来全世界范围内的科技领域的研究热门之一。世界各国在材料基因工程领域争相投入许多科研精力，以材料基因组计划为理念而发展的各种计算数据平台也愈加成熟与完善，如美国的Materials Project和AFLOW等平台等。并且基于这些高通量平台，国外已经在多个材料领域中开展了第一性原理高通量材料搜索工作，取得了一定的成果。

基于高通量计算的材料研发，首先就要有自己的第一性原理计算平台，以及对应的材料信息数据库。有了基础的平台与数据，在未来的新材料预测中才能掌握主动权，推动国内高通量研究的持续发展。在此背景下，上海大学材料基因组工程研究院联合其它院系，建立了自己的第一性原理高通量计算平台Materials Informatics Platform (MIP)。MIP平台着重于提供高质量的第一性原理计算结果的提供，实现了从结构查询、自动化计算，以及功能性质展示等一系列高通量标准流程。MIP的数据来自无机晶体学数据库，通过自行开发的结构查重算法，得到无重复的VASP结构文件8万余条。用户可以通过多种搜索条件，包括元素选择，限定空间群、元素比例等等，来获得所需要的结构文件。计算任务方面，目前已集成了常规第一性原理结果以及电输运性质计算模块，未来将开发并集成弹性常数、热导率、铁电极化等多种性质的模块。MIP的计算资源方面集成了神威太湖之光超级计算机，未来也将集成更多计算资源。此外，MIP还可以与上海大学的机器学习平台OCPMDM联动，直接对第一性原理高通量计算结果进行数据挖掘，进一步得到大数据规律。

由于MIP为自主研发的第一性原理平台，极大地方便了具有特色功能的计算程序的集成以及基于此的新材料预测工作。以热电材料为例。热电材料电输运性质的一个理论难点为电子驰豫时间的计算；常规输运算法忽略了电子驰豫时间的影响，而精确的电声耦合作用计算又非常费时，不适用于高通量研究。我们发展了兼顾计算效率与精度的电子驰豫时间计算方法，并将之集成于MIP的电输运性质模块，成为目前国际领先的热电材料高通量计算解决方案。利用该模块，我们已经在硫族类金刚石结构的热电化合物中做了高通量的筛选工作，提出了数个可能具有高性能的新的组分。其中，一个不属于任何材料数据库的全新化合物Cd₂Cu₃In₃Te₈被实验实现，其高温热电优值超过1.0。此外，根据对于高通量结果的大数据分析，我们发现了在这一类材料中普遍存在的由硫族元素p电子构成的电输运导电通道，揭示了小数据样本无法得到的共性规律。该工作已被J. Am. Chem. Soc. 接收（DOI: 10.1021/jacs.8b04704）。

关键词：第一性原理；高通量平台；材料预测；机器学习；电输运

通讯作者：张文清   Email: zhangwq@sustc.edu.cn

DOI:10.12110/secondfmge.20181014.427