力学所在镁基室温热电材料Mg3Bi2-xSbx半无序微结构预测方面取得进展

热电材料是能够实现热能和电能直接相互转化的新型能源材料，在低品位废热发电、固态制冷、深空探测、局域空间精准温控等领域有重要应用。较低的转换效率是制约热电材料应用的瓶颈，Bi₂Te₃基化合物是目前唯一规模化应用的近室温热电材料，热电发电转换效率仅有~7% 。Mg基热电材料Mg₃Bi₂-_xSb_x具有低成本和在室温工作区的高热电性能，有望取代Bi₂Te₃基化合物成为下一代室温商用化材料。确定Mg基热电材料的微结构是认识和提升热电性能的前提。然而，Mg₃Bi₂-_xSb_x（0<2）的微结构确认面临着Sb/Bi位点占据无序性、体系尺寸变化和体系计量比变化等多重维度的挑战。 

中国科学院力学研究所非线性力学国家重点实验室微结构计算力学课题组和山西煤炭化学研究所/中科合成油联合团队，进一步改进了先前工作发展的化学无序材料的微结构预测方法——“辣搜方法”，增加了模型预训练和随机采样功能。模型预训练基于先前已有小样本小体系数据预训练机器学习势模型，提高了数据利用率和模型精度；在原来的枚举采样基础上增加了随机采样（随机采样可使得“辣搜”方法的预测能力由有限体系扩展到准无限体系）。研究利用改进的“辣搜”方法，探索了Mg₃Bi₂-_xSb_x（0<2）的原子晶胞结构，考察了在晶胞内原子数目N=10、40和90三种不同尺寸的情况。计算结果显示，三种不同尺寸下的结构均具有负的形成能，表明它们在理论上有可能稳定存在。尽管形成能相似，但键序参数分析表明这些相的晶体结构非常不同。体系的尺寸在确定预测晶体结构的有序度方面具有重要作用。随着体系尺寸的增加，预测结构的无序度也会增加。在较小的系统中，例如10和40原子系统，Sb倾向于局域在有限数量的位点上，由于占据的位点数量有限，致使结构更加规则。然而，在较大的系统（如90原子系统）中，径向分布函数表明Sb在预测结构中的分布更加多样化，且分布在整个结构空间的概率更高。该工作在理论上为后续研究Mg₃Bi₂-_xSb_x（0<2）热电性质奠定了重要的结构基础，并为预测准无限体系的其他化学无序材料的微结构铺平了道路。 

相关研究成果以Active-learning search for unitcell structures: A case study on Mg₃Bi₂-_xSb_x为题，发表在《计算材料学》（Computational Materials Science）上。研究工作得到国家重点研发计划和力学所力英计划等的支持。 

图1. （a）用于有限尺寸化学无序材料结构预测的流程图，（b）用于准无限尺寸化学无序材料结构预测的流程图

图2. （a） “辣搜”方法在Mg₃Bi₂-_xSb_x（x=0.5，N=90）体系搜索过程中总能量随搜索代数的演化；（b） 三种不同尺寸（N = 10、40和90）的搜索过程中第一性原理计算所需的时间；（c） 三种不同尺寸（N = 10、40和90）下Mg₃Bi₂-_xSb_x（0<2）的形成能曲线；（d）三种不同尺寸（N = 10、40 和 90）下Mg₃Bi₂-_xSb_x（0<2）的无序参数曲线。

图3. （a）三种不同尺寸（N=10、40和90）在 x=0.5、1.0和1.5下预测的晶体结构；（b）在x=0.5时三种不同尺寸（N=10、40和90）预测的晶体结构q4和q6分布；（c）在x=1.0时三种不同尺寸（N=10、40和90）预测的晶体结构q4和q6分布；（d）x=1.5时三种不同尺寸（N=10、40和90）预测的晶体结构q4和q6分布。

图4. Mg₃Bi₂-_xSb_x（x=0.5）中Mg-Sb和Sb-Sb的径向分布函数（RDF）