构建高性能无机光致伸缩材料的多晶型相界 | 通过PWmat发论文

本文通过在Pb₃V₂₃P₂O₈化合物中构建多晶型相界（PPB），实现了无机材料光致伸缩的有效优化。在PPB区域的Pb₃V₂₃P₂O₈成分中，实现了超过0.3%的显著光致伸缩和10⁻¹⁰ m³/W级别的优异光致伸缩效率，其性能优于大多数现有的无机光致伸缩材料。

此外，在低至200 mW/cm²的光强度下，可实现超过0.1%（与压电应变相当）的光致伸缩。从理论上揭示了增强的光致伸缩源于由Pb-O-V共线性和V-V二聚体形成驱动的光诱导相变，而P掺杂可以促进这种相变（由PWmat提供理论计算验证），从而在低光激发下实现显著形变，相比之下性能远优于有机-无机杂化钙钛矿材料，且避免了其热稳定性和耐湿性的问题。

这项工作将加速高性能无机光致伸缩材料的发展，及其在光机械器件（如无线传感器）中的应用。文章发表在《Nature Communications》期刊上（点击阅读原文查阅），DOI：https://doi.org/10.1038/s41467-025-58100-1

左右滑动

最后特别提到一点，理论计算在该工作中不仅是实验结果的辅助解释工具，更是机理发现和材料设计的核心驱动力，通过多尺度模拟，揭示了P掺杂降低相变阈值、光激发驱动键重构的物理本质，为高性能光致伸缩材料的开发提供了理论基石。

PWmat起到的具体作用

PWmat在该研究中不仅承担核心计算任务，更是连接实验现象与微观机理的桥梁。其高效处理复杂掺杂体系、模拟非平衡光激发过程的能力，为揭示光致伸缩的原子级机制提供了不可替代的支持。这项工作也展示了国产计算软件在尖端材料研究中的竞争实力。

基态电子结构计算选择在Pb₃V₂ₓPₓO₈化合物中，计算β相和γ相的能量差（图1a），确定P掺杂对相变能垒的影响；激发态模拟过程则采用约束电子占据数方法（constrained occupation method）模拟光激发条件下的电子态，直接关联实验中不同光强下的相变行为；分子动力学（AIMD）模拟在NPT系综下运行，模拟光激发引起的原子运动（图2-3），揭示Pb-O键断裂和V-V二聚体形成的动态过程。

图1：a 不同电子激发条件下，β相和γ相之间的能量差随P含量（x）的变化关系；b PO和PO.1875（P掺杂）系统的体积变化与价电子激发比例（η）的关系，η定义为被激发的价电子数与总价电子数之比。

图2：a, b P0 (a) 和P0.1875 (b) 在0 fs和500 fs时的部分原子结构，在(b)中顶部图案显示a-b平面结构，底部图案显示a,b平面结构，V、Pb和O原子分别用黄色、蓝色和灰色球体表示，红色箭头表示光激发原子驱动力，红色叉号表示断裂的化学键；c, d P0 (c) 和P0.1875 (d) 中Pb-O键长的动态变化，灰色和红色线分别对应Pb(1)-O和Pb(2)-O的键长；e, f P0 (e) 和P0.1875 (f) 沿b轴的V-O键长动态变化。

图3：a P0在0 fs和500 fs时的部分原子结构，V、Pb和O原子分别用黄色、蓝色和灰色球体表示，红色箭头表示光激发原子驱动力；b-e P0和P0.1875中V-O、V-V和P-V键长的动态演化。

首先大体系高效计算使用234原子超胞（DFT）和208原子超胞（AIMD），在保证精度的同时处理复杂掺杂体系；非绝热激发模拟通过自定义电子占据数（如0.75%电子被激发到导带），直接模拟光生电子-空穴对晶格的瞬时影响（图1b）；最后用特殊准随机结构（SQS）方法对P掺杂的固溶体（Pb₃V₂ₓPₓO₈）生成热力学稳定的随机占位构型，避免周期性掺杂带来的误差。

一是相变能量趋势（图1a）计算显示P掺杂（x=0.11–0.22）显著降低β→γ相变能垒，与实验PPB区域性能优化吻合；二是光致体积变化（图1b）AIMD模拟预测P0.1875体系在0.76%电子激发下即出现收缩（-0.06%），而纯Pb₃V₂O₈需要更高激发强度，解释了低光强下PPB区域的优异响应；三是原子机制解析（图2-3）动态追踪Pb-O键断裂（图2d）和V-V二聚体形成（图3e），揭示光致伸缩的微观驱动机制。

PWmat通过自定义电子占据（电子激发-晶格响应耦合）实现光激发条件的直接模拟，避免了传统“先算能带再拟合”的间接方法；将温度控制AIMD在30°C恒温下模拟，排除热效应干扰，明确光致伸缩的非热本质。

PWmat弥补了实验的局限性，实验无法直接观测飞秒尺度的原子运动，PWmat优化了掺杂范围，预测在x≈0.14–0.22为PPB最佳区间，指导实验合成；而AIMD模拟动态捕捉了键长变化和相变路径，相比传统同类型软件，PWmat的GPU加速缩短了大体系AIMD的计算时长；与此同时PWmat还帮助实验大大降低了试错成本，通过计算预测相变趋势，避免了盲目尝试掺杂比例；PWmat还通过模拟光诱导Pb-O-V共线性（图2f），支持“相变前驱体”理论，验证了机理并深化了机理认知，将宏观性能（光致相变）与微观电声耦合关联，建立了“成分-结构-性能”的完整理论框架，为后续优化材料（如调控V/P比例或引入其他元素）指明了方向。