Accounting for the Quantum Capacitance of Graphite in Constant Potential Molecular Dynamics Simulations
本研究提出一种基于量子化学态密度计算的电极金属性参数化方法，解决了恒电势分子动力学模拟无法准确表征石墨等材料电子结构的问题，复现了实验电容特性，可推广至多种电极材料以支撑复杂电化学器件模拟。
2024-04-11 cond-mat.mtrl-sci
Improving Accuracy of Electrochemical Capacitance and Solvation Energetics in First-Principles Calculations
可靠的第一性原理计算的电化学过程需要准确预测的界面电容，目前的计算效率的连续溶剂化方法的挑战。我们开发了一个模型的双层金属电极，再现的实验电容的Ag（100）在非吸附性，水性电解质，包括一个宽的驼峰附近的零电荷电位（PZC）的电容的功能，和在低离子强度的条件下的电容下降。使用这个模型，我们确定了必要的特征的溶剂化模型适用于第一原理电化学的金属表面在非吸附，水性电解质：介电和离子的非线性，和介电只有在界面上的区域。介电非线性，所造成的偶极子在水中的旋转响应的饱和，创建的电容驼峰，而离子的非线性，所造成的致密性的扩散层，产生的电容下降看到在低离子强度。我们发现，没有以前开发的溶剂化模型同时满足所有这些标准。我们设计了非线性电化学软球溶剂化模型（NESS），它既捕获了实验观察到的电容特征，又作为通用的连续溶剂化模型。
2018-03-30 cond-mat.mtrl-sci physics.chem-ph physics.comp-ph
Ferri-ionic Coupling in CuInP$_2$S$_6$ Nanoflakes: Polarization States and Controllable Negative Capacitance
本研究通过自由能模型揭示CuInP$_2$S$_6$纳米薄片中应变与离子屏蔽诱导的多相转变及可控负电容，为低功耗纳米电子器件提供基础。
2024-08-03 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Enhanced Capacitance in Surfactant Mediated Ion Complexes
本研究提出用两亲性分子介导盐结晶，通过SLSA和柠檬酸调节离子界面，显著增强离子复合物的电容，并揭示其机制，有助于优化晶体生产。
2024-12-17 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph physics.chem-ph
Anomalously large capacitance of an ionic liquid described by the restricted primitive model
我们使用蒙特卡罗模拟检查最简单的模型的离子液体，被称为限制原始模型，在金属表面。我们发现，在适度的低温下的金属/离子液体界面的电容是如此之大，静电双层的有效厚度是3倍小于离子半径。为了解释这些结果，我们提出了一种方法，它是基于离散离子和它们的图像电荷在金属表面之间的相互作用，因此超越了平均场近似。当在界面上施加电压时，强的图像吸引力使抗衡离子凝聚在金属表面上，形成紧凑的离子图像偶极子。这些偶极子相互排斥，形成相关液体。当这些偶极子的表面密度低时，插入额外的偶极子不需要太多能量。这导致随着电压$V$单调减小的大电容$C$，产生“钟形”曲线$C(V)$。我们还考虑了当电极由半金属而不是完美金属制成时会发生什么。在这种情况下，电极的有限屏蔽半径将镜像电荷的反射平面移动到电极内部，我们得到“骆驼形”$C(V)$。这些预测似乎与实验定性一致。
2010-06-24 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft physics.chem-ph
Atomistic-to-Continuum Multiscale Modeling with Long-Range Electrostatic Interactions in Ionic Solids
本文提出了一种研究含缺陷离子晶体的多尺度原子-连续方法。缺陷通常在离子和电子固体中起着核心作用，不仅限制了可靠性，更重要的是使这些材料具有至关重要的功能。实例包括通过带电点缺陷的运动传导电流的固体电解质，以及通过畴壁缺陷的运动显示多功能性的复合氧化物铁电体。因此，了解缺陷的结构及其对电场和机械场的响应非常重要。然而，一个中心障碍是离子固体中的相互作用包括短程原子相互作用以及长程静电相互作用。现有的原子-连续介质多尺度方法，如准连续介质方法，仅适用于原子间的短程相互作用。此外，量子力学到密度泛函模型的经验简化无法捕捉这些材料中感兴趣的关键现象。为了解决这个问题，我们发展了一种多尺度原子方法来粗粒化含缺陷离子晶体中的长程电相互作用。在这些设置中，电荷密度快速变化，但几乎是周期性的。其关键思想是使用的极化密度场作为多尺度调解人，使有效的粗粒化，利用几乎周期性的变化。在远离缺陷的区域，晶体接近完美，极化场作为代理，使我们能够避免考虑电荷变化的细节。我们结合这种方法为远程静电与标准的准连续体方法为短程相互作用，以实现一个有效的多尺度原子连续方法。
2013-10-09 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci physics.atom-ph
Atomistic analysis of Li migration in $\text{Li}_{1+x} \text{Al}_x \text{Ti}_{2-x} {(\text{P} \text{O}_4)}_3$ (LATP) solid electrolytes
我们研究了锂离子在LATP [ $\text{Li}_{1+x} \text{Al}_x \text{Ti}_{2-x} {(\text{P} \text{O}_4)}_3$ ]固体电解质从原子的观点通过密度泛函理论计算。我们改变Al含量，并研究其对LATP的晶体结构和间隙锂离子的迁移能量景观的影响。锂扩散的能量分布被发现是系统的Al离子的位置直接附近的迁移路径的影响，我们推导出一个简化的分类方案的三个通用的能量分布形状。的Al/Ti比对Li迁移的整体影响进行了分析，通过分离成化学和几何方面。这项工作提供了一个坚实的基础，资源有效的计算检查的锂在LATP的离子电导率与不同的Al/Ti浓度。
2020-10-05 cond-mat.mtrl-sci
Negative Quantum Capacitance of Carbon Nanotube Field-Effect Transistors
用原子密度泛函理论计算了金属圆柱栅与碳纳米管之间的电容。结果强调量子电容在限制甚至增强CNT的屏蔽性能的主导作用。指出了电子态密度（DOS）以外的其它对量子电容的贡献。负值的量子电容得到低密度系统，相应地过屏蔽的门场。量子电容的这种非常规行为与交换贡献在CNT的总电子能量中的主导地位有关。
2004-12-20 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Strain Control and Layer-Resolved Switching of Negative Capacitance in BaTiO$_3$/SrTiO$_3$ Superlattices
采用蒙特卡罗模拟方法，在原子有效哈密顿量模型下研究了BaTiO $_3$ /SrTiO $_3$超晶格中的负电容.我们发现外延应变可以调整的钛酸钡$_3$铁电层的负电容和系统的总电容在很宽的温度范围内。此外，我们预测并解释了原始开关的负电容从钛酸钡$_3$层的SrTiO $_3$层在低温下的中间应变。我们的研究结果表明，如何在这些超晶格的多畴过渡的扩散特性，提高其电容应用的可行性。
2019-04-17 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.stat-mech
An Electrostatic Spectral Neighbor Analysis Potential (eSNAP) for Lithium Nitride
基于局部环境描述符的机器学习原子间势在预测准确性方面代表了基于刚性函数形式的传统势的变革性飞跃。然而，在其应用于离子系统的一个挑战是远程静电的治疗。在这里，我们提出了一个高度准确的静电光谱邻居分析电位（eSNAP）的离子$α$ - \ce{Li3N}，一个原型的锂超离子导体的利益作为固体电解质或涂层的可充电锂离子电池。我们表明，优化的eSNAP模型大大优于传统的库仑-白金汉势的能量和力的预测，以及各种属性，如晶格常数，弹性常数和声子色散曲线。我们还展示了eSNAP在\ce{Li3N}中长时间、大规模Li扩散研究中的应用，为一致离子运动的测量提供了原子论的见解（例如，Haven比率）和晶界扩散。这项工作的目的是提供一种方法来开发量子精确的力场下的SNAP形式主义的多组分离子系统，使大规模的原子模拟这样的系统。
2019-04-29 cond-mat.mtrl-sci
Kinetic Monte Carlo-Ising Machine Optimization for Atomistic Inverse Design of Solid Electrolytes
National Institute for Materials Science（物质材料研究机构）；University of Tsukuba（筑波大学）；Kyushu University（九州大学）；The University of Tokyo（东京大学）
提出结合动力学蒙特卡洛（KMC）与基于伊辛机的因子分解机二次优化退火（FMQA）框架，通过并行优化解决组合爆炸问题，在8 mol%氧化钇稳定氧化锆中实现比随机配置高一个数量级的离子电导率。
2026-07-01 cond-mat.mtrl-sci
Graphene-ionic liquid interfacial potential drop from DFT-MD simulations
离子液体具有良好的稳定性和高电荷密度，是一种很有前途的电化学电解质。分子动力学模拟对于更好地理解电极-IL界面处发生的复杂现象是必不可少的。本文采用基于密度泛函理论的分子动力学模拟，研究了石墨烯与1-乙基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐IL之间的界面。我们将双电层电位降分解为两个主要部分：一个是原子电荷，另一个是偶极子。后一个分量是由于表面的电子极化而产生的，并且与文献中激烈争论的概念有关，例如E-Fermi屏蔽长度，有效表面电荷平面和量子电容。
2020-03-26 cond-mat.mtrl-sci
Electrostatic treatment of charged interfaces in classical atomistic simulations
人工静电势可以存在于为离子晶体中的表面和界面的原子模拟而构造的超晶胞中。处理的离子作为点电荷，我们系统地推导出一个静电形式主义的模型系统的复杂性不断增加，中性和带电，无论是开放或周期性的边界条件。这允许正确地解释直接受这些潜在的外观影响的经典原子模拟的结果。我们证明了我们的方法的例子中的钛酸锶（SrTiO $_3$）的超级电池包含一个不对称的倾斜晶界。基于原子间刚性离子势计算了带电氧空位的形成能和弛豫界面结构，并考虑静电效应对计算结果进行了分析。
2022-05-16 cond-mat.mtrl-sci
Piecewise Non-Linearity and Capacitance in the Joint Density Functional Theory of Extended Interfaces
在密度泛函理论（DFT）的框架下，带电界面的从头算模拟被广泛应用于电化学能量转换过程的研究。电容是电化学界面响应的主要描述符。它基本上等于作为电子数的函数的能量曲率的倒数，并且因此出现与DFT中分段线性的基本原理的冲突，该基本原理要求能量曲率在分数电子数处为零，即几乎处处为零。为了解决这一矛盾，我们推导出了能量曲率与Kohn-Sham态密度、局域态密度和Fukui势之间的精确表达式。我们发现，分段线性的要求并不适用于扩展系统和表面的体积或面积比能量。应用于电极-电解质界面的联合密度泛函理论，包括电解质的离子和介电响应，相同的表达式表示用于将总界面电容划分为量子电容、空间电荷电容和电化学双层电容的贡献的严格基础。它提供了深入了解电极材料，厚度和温度对充电特性的影响，如大块金电极，单层金电极和单层石墨烯电极的结果所示。
2021-04-10 cond-mat.mtrl-sci
Graphene based Supercapacitors with Improved Specific Capacitance and Fast Charging Time at High Current Density
石墨烯是一种很有前途的储能材料，特别是用于高性能超级电容器。对于实时高功率应用，在高电流密度下具有高比电容和快速充电时间至关重要。使用改进的Hummer方法和尖端超声处理用于石墨烯合成，在这里，我们显示了基于石墨烯的超级电容器，其具有高稳定性和显著改善的双电层电容和能量密度，在高电流密度下具有快速充电和放电时间，这是由于在更深区域中增强的离子电解质可及性。放电电容和能量密度值为195 Fg-1和83.4 Whkg-1，在2.5 Ag-1的电流密度下实现。以5A/g放电64.18Whkg-1所需的时间约为25秒。在7.5 Ag-1电流密度下，电池可以提供约137 Fg-1的比电容，并在10，000次循环后保持其初始值的98%，这表明超级电容器在高电流速率下的稳定性能适用于快速充放电应用。我们将这种优异的性能归因于石墨烯的高度多孔性质，其由于褶皱性质和改进的电流收集方法而以最小的重新堆叠制备。
2013-11-06 cond-mat.mtrl-sci
Molecular understanding of charge storage and charging dynamics in supercapacitors with MOF electrodes and ionic liquid electrolytes
我们提出了一个计算显微镜分析（有针对性的分子动力学模拟）的结构和性能的导电金属有机框架（MOF）电极在超级电容器与室温离子液体。分子建模预测电极电容的电位依赖性的特征形状，依赖于MOF电极的结构，特别是离子如何在极化下传输和驻留在MOF中。采用传输线模型表征了充电动力学过程，并从纳米尺度下的仿真数据出发，搭建了一座评估实际超级电容器器件宏观电容性能的桥梁。这种从纳米尺度到宏观尺度的分析证明了MOF超级电容器实现前所未有的高体积能量和功率密度的潜力。这项研究为实现这些结果提供了对MOF优选结构的分子见解，这可以为这些新系统的未来实验表征提供蓝图。
2019-03-01 cond-mat.mtrl-sci
Non-mean-field theory of anomalously large double-layer capacitance
平均场论认为，在金属/离子导体界面处形成的双层的电容不能大于亥姆霍兹电容器的电容，亥姆霍兹电容器的宽度等于离子的半径。然而，在一些实验中，双层电容器的表观宽度实质上更小。我们提出了一个替代的，非平均场论的离子双层来解释这样大的电容值。我们的理论允许离散离子的结合，其图像在金属中的电荷，这导致在界面偶极子的形成。我们主要关注的情况下，只有小的阳离子是移动和其他离子形成一个带相反电荷的背景。在这种情况下，在低的温度和零施加电压偶极子形成相关的液体在两个接触。我们表明，在小电压的双电层的电容是由偶极子从一个电极转移到另一个，因此仅限于由弱偶极-偶极之间的排斥绑定离子，使电容是非常大的。在大电压下，从电容器电极之一的束缚离子的耗尽触发电容到小得多的平均场值的崩溃，如在实验数据中看到的。我们测试我们的分析预测与蒙特卡罗模拟，发现很好的协议。我们进一步认为，我们的“单组分等离子体”模型应该工作得很好，强不对称离子液体。我们相信，这项工作也提出了一个改进的赝电容理论。
2010-06-24 cond-mat.dis-nn cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft
Stern and Diffuse Layer Interactions During Ionic Strength Cycling
二次谐波产生的振幅和相位的测量是从熔融石英实时采集：水界面进行离子强度转换在pH 5.8。结合原子模型，我们确定了斯特恩层中的结构之间的相关性，编码在总的二阶非线性极化率，chi（2）tot，并在扩散层中，编码在chi（2）tot和总界面势的乘积，phi（0）tot。chi（2）tot：phi（0）tot相关图表明，Stern层和扩散层中的动力学在某些条件下（离子强度的大变化）彼此解耦，而它们在其他条件下（离子强度的较小变化）随着水本体溶液中的离子强度变化而同步变化。获得的定量结构和静电信息也通知在熔融石英离子强度循环滞后的分子起源。原子模拟表明接触离子对（相对于溶剂分离的离子对）在斯特恩层中的突出作用。这些模拟还表明，即使在0 M离子强度下，净水排列也仅限于界面的前2 nm，这突出了水的偏振对非线性光学信号产生的重要贡献。
2021-06-05 cond-mat.mtrl-sci physics.chem-ph
Revealing Fast Ionic Conduction in Solid Electrolytes through Machine Learning Accelerated Raman Calculations
Technical University of Munich（慕尼黑工业大学）；École Polytechnique Fédérale de Lausanne（洛桑联邦理工学院）
本研究通过机器学习加速的拉曼计算揭示固态电解质中快速离子传导的特征，为高效发现离子导体提供新方法。
2025-11-26 cond-mat.mtrl-sci
Theory of volumetric capacitance of an electric double-layer supercapacitor
双电层超级电容器是一类快速发展的高功率储能装置，其基于浸入浓缩电解质或离子液体中的多孔电极。到目前为止，还没有微观理论来描述它们惊人的每单位体积约100 F/cm ^3的电容（体积电容），也没有很好地理解体积电容的基本限制。在本文中，我们提出了一个非平均场论的体积电容的超级电容器，捕获的离散性的离子和电极的排斥相互作用的指数屏蔽。我们认为分析和通过蒙特卡罗模拟的情况下，由一个好的金属制成的电极，并表明，在这种情况下，体积电容可以达到记录值。我们还研究了如何减少电容时，电极是一个有缺陷的金属，其特征在于一些有限的屏蔽半径。最后，我们认为，碳电极，尽管其相对较大的线性屏蔽半径，可以近似为一个完美的金属，因为其强大的非线性屏蔽。通过这种方式，可以理解实验测得的电容值约为100 F/cm^3。
2011-05-15 cond-mat.mtrl-sci physics.chem-ph
Ferroelectric Nanoparticles in Liquid Crystals: The Role of Ionic Transport at Small Concentrations of the Nanoparticles
本研究揭示超低浓度（≤1 wt.%）BaTiO3纳米颗粒通过其表面离子-电子屏蔽电荷影响介电液晶5CB的离子输运，导致含纳米颗粒的LC单元电流更低、电容回线更窄，尽管纳米颗粒对介电响应影响极小。
2024-11-21 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft
Elemental (im-)miscibility determines phase formation of multinary nanoparticles co-sputtered in ionic liquids
非平衡合成方法允许将本体不混溶的元素合金化成多元纳米颗粒，这拓宽了新材料的设计空间。尽管溅射到固体基底上可以将不混溶的元素结合成薄膜固溶体，但这对于离子液体中的纳米颗粒的溅射并不清楚。因此，通过在离子液体1-丁基-3-甲基咪唑鎓双-三氟甲基磺酰基）酰亚胺[Bmim][（Tf）2N]的表面上共溅射Au-Cu（可混溶）、Au-Ru和Cu-Ru（两者均不可混溶）以及Au-Cu-Ru体系来研究在离子液体中溅射用于制备不混溶元素的纳米颗粒的适用性。分析溅射的纳米颗粒以获得（i）关于当溅射到离子液体表面上时纳米颗粒的一般形成过程的知识和（ii）信息，如果不混溶元素的合金纳米颗粒可以合成，以及（iii）固溶度的Hume-Rothery规则对于溅射的纳米颗粒是否有效的证据。伴随的原子模拟使用密度泛函理论的不同尺寸和顺序的集群确认，Au-Cu的可溶解性和Au-Ru和Cu-Ru的不可溶解性控制的纳米粒子的热力学稳定性。基于NP/离子液体系统NP稳定性的理论和实验结果，建立了离子液体中多元NP的形成模型。
2022-06-10 cond-mat.mtrl-sci
Capacitive and inductive effects in perovskite solar cells: the different roles of ionic current and ionic charge accumulation
本文针对钙钛矿太阳能电池的动态滞后效应，提出等效电路模型，通过复合电流调制区分离子电流和离子电荷积累的作用，结合EIS测量揭示光生载流子复合电流对电容和电感效应的影响，并建立缺陷态研究框架以减缓降解。
2022-11-30 cond-mat.mtrl-sci
Temperature-transferable coarse-graining of ionic liquids with dual graph convolutional neural networks
计算机模拟可以提供机理洞察离子液体（IL）和预测实验未实现的离子组合的性质。然而，离子液体遭受从一个特别大的差距，在时间尺度的原子和合奏运动。因此，粗粒度模型被用来代替昂贵的原子模拟，允许模拟更长的时间尺度和更大的系统。然而，构建定义粗粒度系统的结构和动力学的平均力的多体势可能是复杂的和计算密集的。机器学习在降维和学习平均力潜力的关键耦合挑战方面表现出巨大的潜力。为了提高离子液体的粗粒度，我们提出了一个神经网络模型训练的全原子经典分子动力学模拟。平均力势表示为两个联合训练的神经网络原子间相互作用势，分别学习耦合的短程和多体长程分子相互作用。这些原子间作用势将温度作为一个显式的输入变量，以捕获平均力势的温度依赖性。该模型再现结构的数量与高保真度，优于温度无关的基线在捕捉动态，概括到看不见的温度，并招致低仿真成本。
2020-11-08 cond-mat.mtrl-sci physics.comp-ph
Atomistic modeling of bulk and grain boundary diffusion in solid electrolyte Li$_6$PS$_5$Cl using machine-learning interatomic potentials
针对Li₆PS₅Cl晶界扩散模拟的计算挑战，开发基于质量水平的主动学习方案构建MTPs，研究其两种倾斜和一种扭转晶界的稳定性与扩散系数，发现晶界扩散系数介于有序与无序体相之间且与实验数据匹配。
2024-07-31 cond-mat.mtrl-sci
Structural Transitions at Ionic Liquids Interfaces
最近的进展，在实验和计算技术允许一个准确的描述离子液体在金属电极上的吸附。现在已经确定，它们采用多层结构，并且层的组成随着电极的电势而变化。在某些情况下，在第一吸附层中的电位驱动的有序转变已被观察到在实验中探测的界面上的分子尺度或分子模拟。这种观点给出了一个概述，目前的理解，这种过渡和它们的潜在影响的物理和（电）化学过程中的接口。特别是，在电化学研究中已经报道了微分电容中的峰、界面处的缓慢动力学和反应性的变化。离子液体和金属电极之间的界面也与它们的摩擦性能高度相关，其电压依赖性为令人兴奋的应用开辟了道路。
2016-03-12 cond-mat.mtrl-sci physics.chem-ph
Enhanced ionic conductivity through crystallization of glass-Li$_3$PS$_4$ by machine learning molecular dynamics simulations
该研究利用基于第一性原理的机器学习原子间势开展分子动力学模拟，揭示玻璃态Li$_3$PS$_4$结晶后离子电导率提升源于结晶度升高降低Li扩散势垒，且渗流传导起关键作用，为玻璃陶瓷电解质应用提供参考。
2023-12-12 cond-mat.mtrl-sci
Ion-modulated structure, proton transfer, and capacitance in the Pt(111)/water electric double layer
提出结合长程静电的机器学习原子间势框架，模拟Pt(111)/水电解质界面，揭示惰性离子通过屏蔽电场和减缓质子转移影响电容与反应性，为电解质设计提供分子基础。
2025-09-17 cond-mat.mtrl-sci physics.chem-ph physics.comp-ph
Thermal boundary resistance from transient nanocalorimetry: a multiscale modeling approach
从原子水平上研究了纳米Al薄膜与Al_{2} O_{3}衬底界面的界面热阻。发现室温值为1.4 m^{2}K/GW。然后，在插入从原子模拟获得的材料参数后，通过宏观物理方程对时间分辨热反射实验中发生的热动力学进行建模。电子和声子的非平衡和时空温度的不均匀性被发现持续到纳秒时间尺度。这些结果的有效性的问题，通常采用的集总热容模型在解释瞬态纳米量热实验。本文对文献中采用的从瞬态反射率迹线中提取边界热阻的方法进行了修正。结果是超越特定系统的相关性，物理图片是一般的，很容易扩展到其他异质结。
2016-11-12 cond-mat.mtrl-sci
Evolutionary optimization of a charge transfer ionic potential model for Ta/Ta-oxide hetero-interfaces
钽、钽氧化物及其异质界面在电子、热管理、催化和生物化学等多个应用领域具有巨大的技术价值。例如，包括金属（Ta）和绝缘氧化物（Ta 2 O 5）的TaOx忆阻器中的局部氧化学计量变化已经被示出导致在十亿个周期内在亚纳秒时间尺度上的快速切换，这与神经形态计算相关。尽管其广泛的重要性，原子尺度的理解的氧化学计量变化跨Ta/TaOx异质界面，如在氧化和氧化物生长的早期阶段，没有得到很好的理解。这主要是由于缺乏一个可变的电荷原子间势模型的钽氧化物，可以准确地描述在金属（Ta）和氧化物（TaOx）的环境，以及在他们的界面的离子相互作用。为了解决这一挑战，我们引入了一个电荷转移离子势（CTIP）模型Ta/Ta氧化物系统的晶格参数，结合能，状态方程，和各种实验观察到的Ta 2 O 5多晶型物的弹性性能的训练。采用遗传算法驱动的单目标全局优化方案，其次是局部单纯形优化，确定最佳的一组CTIP参数。我们新开发的CTIP潜力准确地预测结构，热力学，充满活力的多晶型物，以及弹性和表面性质的Ta和Ta 2 O 5，在良好的协议与DFT计算和实验。我们采用我们的新参数化的CTIP潜力，研究在不同的温度和原子/分子性质的氧化物种的钽氧化的早期阶段。
2017-04-26 cond-mat.mtrl-sci
Ionic Interdiffusion at Cathode-Solid-Electrolyte Interface: A Machine Learning-Assisted Multiscale Investigation and Mitigation Strategies
University of Illinois Chicago（伊利诺伊大学芝加哥分校）；Argonne National Laboratory（阿贡国家实验室）
本文通过机器学习分子动力学研究了LCO/LGPS界面的离子互扩散问题，揭示了保护层形成与容量衰减的关系，并探讨了LNTO作为中间层的防护效果及其局限性。
2025-11-15 cond-mat.mtrl-sci
Constant Chemical Potential-Quantum Mechanical-Molecular Dynamics simulations of the Graphene-electrolyte double layer
本文提出将恒电势分子动力学（CμMD）与量子力学分子动力学（QMMD）耦合为CμQMMD模型，用于模拟带电石墨烯电极与不同浓度电解质溶液的双电层，揭示了离子吸附与团簇等微观机制及其对电荷存储和脱盐的意义。
2022-12-09 cond-mat.mtrl-sci
Atomic-scale insights into electro-steric substitutional chemistry of cerium oxide
氧化铈（CeO 2）是一种最有前途的离子和电子混合导电材料。以前的原子论分析广泛地涵盖了替代对氧空位迁移的影响。然而，深入分析阳离子取代三价阳离子以外的作用很少被探索。在这里，我们调查可溶性一价，二价，三价和四价阳离子取代基。通过结合经典模拟和量子力学计算，我们提供了一个洞察取代基阳离子和氧空位之间的缺陷缔合能，以及它们对扩散机制的影响。模拟结果表明，低价阳离子取代体系的氧离子扩散系数为Gd>Ca>Na。对于相同的电荷，与Ce阳离子的较大尺寸失配产生较低的氧离子扩散率，即，Na>K，Ca>Ni，Gd> Al。基于这些趋势，我们确定了可以调节氧离子扩散率的物种：我们估计，在800 K下，对于GdxCe 1-xO 2-x/2，CaxCe 1-xO 2-x和NaxCe 1-xO 2 -3x/2，实现快速氧离子输运的最佳氧空位浓度为2.5%。值得注意的是，这样的浓度不是恒定的，并且随着温度的升高而逐渐向更高的值移动。我们发现，共同取代可以增强单取代的影响超出预期的简单添加。此外，我们确定优先的氧离子迁移途径，这说明了取代基阳离子在确定氧离子迁移的能量障碍的电空间效应。对控制氧扩散系数和迁移能量的因素的这种基本见解将使得能够定义用于调节材料的离子性质的设计标准，例如，通过共掺杂。
2021-02-10 cond-mat.mtrl-sci
Multiscale Simulations of Defect Dipole-Enhanced Electromechanical Coupling at Dilute Defect Concentrations
缺陷在铁电氧化物等离子-共价键混合固体中的作用是复杂的。目前对单缺陷水平上缺陷对铁电性能的理解大多停留在经验水平，许多缺陷介导的极化开关过程的详细原子机制尚未从量子力学上令人信服地揭示。利用大尺度分子动力学模拟了BaTiO 3在一般缺陷偶极子存在下的极化-电场（P-E）和应变-电场（{ $ε$ }-E）磁滞回线，并提供了缺陷偶极子增强机电耦合的详细原子图像。我们开发了一个通用的基于第一性原理的原子模型，使宏观铁电性能和偶极杂质的不同取向，浓度和偶极矩之间的关系的定量理解。我们发现偶极缺陷相对于外场的集体取向是强烈影响材料硬化/软化和机电耦合的关键微观结构特征。我们表明，一个小的浓度（0.1原子%），的缺陷偶极子显着提高机电响应。这提供了一个机会，以提高廉价的多晶铁电陶瓷的性能，通过缺陷偶极子工程的一系列应用，包括压电传感器，致动器和换能器。
2017-07-25 cond-mat.mtrl-sci
Coupled structural and magnetic properties of ferric fluoride nanostructures part I: a Metropolis atomistic study
提出了一种改进的Metropolis原子模拟来模拟离子纳米结构系统中的晶界（GBs）和界面的结构，并将其应用于三氟化铁（FeF 3）的磁性有趣的情况。我们选择了长程原子间的潜力调整实验结果，并适应了以前建立的Monte Carlo计划，包括各种修改的模拟退火/大都市算法。扭曲和倾斜的GBs的原子结构作为晶粒的相对取向差的函数已经实现，产生接近实验测量的属性。这种方法考虑了远离界面的晶粒结构，以限制晶粒的相对取向，而没有任何周期性的边界条件。得出的结论是，一个长程库仑衰减的原子间势是必要的，以获得GB结构呈现正确的局部拓扑结构，但从结晶到非晶态的平滑过渡。最后从拓扑结构和局部磁结构两个方面讨论了其结构特征。
2010-03-25 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Microstructures and Dynamics of Tetraalkylphosphonium Chloride Ionic Liquids
采用原子模拟方法研究了四烷基氯化磷离子液体中脂肪链长度对液体形态、微观离子结构和动力学性质的影响.的液体形态的特征在于海绵状的互穿极性和非极性网络的离子液体组成的四烷基鏻阳离子与短脂肪链。在四烷基鳞阳离子中的延长的脂肪族链导致由氯阴离子和阳离子中的中心极性基团组成的极性域在离子液体基质中部分或全部分离，这是由于其间的非极性域的逐渐膨胀。在总X射线散射结构函数的低和高$q$范围内分别观察到显著的极性交替峰和邻接相关峰，并且它们的峰位随着四烷基鏻阳离子中脂肪链的延长而逐渐向低q值移动。在中间q范围内记录的电荷交替峰表现出复杂的趋势，这是由于离子子组分的部分结构函数中的峰和反峰完全抵消。四烷基氯化鳞离子液体中的特定微观结构和液体形态本质上有助于不同的动力学，其特征在于平移扩散系数，van Hove关联函数和非高斯参数的非均相离子环境中的离子物种。四烷基磷正离子中脂肪链长度的增加导致van Hove关联函数和非高斯参数分别向更大的径向距离和更长的时间尺度移动，表明四烷基磷正离子和相应的氯离子的平移动力学不均匀性增强.
2017-09-04 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.soft
Anisometric Charge Dependent Swelling of Porous Carbon in an Ionic Liquid
首次采用原位电化学膨胀法研究了多孔碳电极在纯离子液体1-乙基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐中的膨胀行为。对于单个电极，相对于零电荷电势的-2V和+2V的施加电势分别导致1.8%和0.5%的最大应变。在循环伏安法期间，特征膨胀行为强烈地取决于扫描速率，增加的扫描速率导致膨胀的降低。计时电流法用于测定平衡比电容和膨胀。得到的应变与累积电荷的关系可以用一个简单的二次函数拟合。当用离子体积和平均孔径的比率对表面电荷进行归一化时，阴极和阳极膨胀数据在一条抛物线上崩溃。当极性从正切换到负时，在高度变化中也存在瞬时尖峰，这在将电势从负改变到正时没有观察到，指示离子的大小和形状影响膨胀行为。
2013-06-09 cond-mat.mtrl-sci physics.chem-ph
CHGNet: Pretrained universal neural network potential for charge-informed atomistic modeling
University of California, Berkeley（加州大学伯克利分校）；Lawrence Berkeley National Laboratory（劳伦斯伯克利国家实验室）；University of Cambridge（剑桥大学）；University of Minnesota（明尼苏达大学）
提出CHGNet，一种基于图神经网络、预训练于大规模DFT轨迹的通用原子间势，通过显式建模磁矩捕获电荷信息，用于准确模拟材料中的原子和电子自由度，并在多个固态系统中展示应用。
2023-06-20 cond-mat.mtrl-sci cs.LG
Building atomistic models of heterointerfaces with optimal transport
University College London（伦敦大学学院）
本文提出融合格罗莫夫-瓦瑟斯坦（FGW）距离结合贝叶斯优化的工作流，构建异质界面原子模型，可高效筛选界面晶格匹配关系，性能优于随机搜索及预训练MACE能量引导方法。
2026-08-21 cond-mat.mtrl-sci
Decoupling Electric Field and Temperature-Driven Atomistic Forming Mechanisms in TaOx/HfO2-Based ReRAMs using Reactive Molecular Dynamics Simulations
本研究通过反应分子动力学模拟，揭示TaOx/HfO2基ReRAM中电场驱动离子迁移与热激活氧空位生成共同主导的形成机制，并阐明导电细丝成核生长过程。
2025-06-19 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph physics.comp-ph
Full-scale ab initio simulations of laser-driven atomistic dynamics
本研究扩展 ab initio 方法并结合电子温度相关深度神经网络势能面与混合原子-连续介质框架，模拟激光驱动的微观动力学，发现热电子非热效应主导晶格动力学与结构转变，弥合了实验与模拟的差距。
2023-10-29 cond-mat.mtrl-sci physics.comp-ph
Overcoming Transport Layer Bottlenecks to Quantify Ionic Parameters from Transient Ion Current Measurements of Perovskite Solar Cells
Zhejiang University（浙江大学）；Zurich University of Applied Sciences (ZHAW)（苏黎世应用科学大学）；ETH Zürich（苏黎世联邦理工学院）；University of Zurich（苏黎世大学）；Fluxim AG（Fluxim公司）；Empa – Swiss Federal Laboratories for Materials Science and Technology（瑞士联邦材料科技研究所）；Institute of Computational Physics, Zurich University of Applied Sciences (ZHAW)（苏黎世应用科学大学计算物理研究所）；Department of Chemistry and Applied Biosciences, ETH Zürich（苏黎世联邦理工学院化学与应用生物学系）；Department of Mathematical Modeling and Machine Learning, University of Zurich（苏黎世大学数学建模与机器学习系）；Laboratory for Thin Films and Photovoltaics, Empa – Swiss Federal Laboratories for Materials Science and Technology（瑞士联邦材料科技研究所薄膜与光伏实验室）；Physik-Institut, University of Zurich（苏黎世大学物理学院）
本研究揭示传输层电容是钙钛矿太阳能电池瞬态离子电流测量量化离子密度的根本瓶颈，提出基于平均离子位移的校正及外推方法，以准确提取离子参数。
2026-09-10 cond-mat.mtrl-sci
Understanding the origins of the intrinsic dead-layer effect in nanocapacitors
高介电常数纳米电容器的薄膜被认为是实现用于下一代能量存储和纳米电子应用的高电荷密度纳米电容器的理想候选物。然而，实验观察到的这种薄膜纳米电容器的电容比预期的低一个数量级。电容的这种急剧下降归因于所谓的死层-金属-电介质界面处的低介电常数层与高介电常数电介质串联。死亡层的确切性质及其起源的原因仍然有些不清楚。基于最近发表的SrRuO3/SrTiO3/SrRuO3从头算工作和我们的第一原理模拟Au/MgO/Au和Pt/MgO/Pt纳米电容器的见解，我们构建了一个分析模型，隔离各种物理机制的贡献的内在死层。特别是我们认为，应变梯度自动出现在非常薄膜，即使在没有外部应变诱导剂，由于flexoelectric耦合，是占主导地位的贡献者的死层效应。我们的理论结果比较以及与现有的，以及我们自己的从头计算，并建议列入flexoelectricity是必要的原子结果的定性和解。我们的研究结果还暗示了一些新的补救措施，以减轻死层效应。
2008-12-11 cond-mat.mtrl-sci
Structural, hydrogen bonding and dipolar properties of alkyl imidazolium-based ionic liquids: a classical and first-principles molecular dynamics study
离子液体（IL）具有可定制的广泛的结构，化学和电子特性，使这类材料适用于下一代电子产品中的各种前沿应用。然而，其固有的复杂性要求特别注意和实验探针仍然存在局限性，在解开的相互作用发生在散装IL和用于建立设备的固体基板的接口。这项工作提供了一个原子的洞察这些基本相互作用的分子模拟，以补充信息仍然无法访问的实验。特别是，我们揭示了一些光的化学键合，结构，电荷分布和偶极性质的一系列烷基咪唑基离子液体的协同作用的经典和第一性原理分子动力学模拟。特别强调的是氢键网络的形成能力取决于阴离子的性质或阳离子的烷基链的长度的关键问题。氢键强度是IL的内聚和有序特征的基本指标，并且在这方面，可用于促进用于本体介质或用于电子器件时的IL的不同行为。
2022-11-24 cond-mat.dis-nn cond-mat.mtrl-sci
Atomistic insights into the mixed-alkali effect in phosphosilicate glasses
近年来，通过组成设计来定制生物活性玻璃的性质已经成为它们在医学应用中的广泛兴趣的主题，例如，组织再生了解氧化物玻璃中的混合碱效应（MAE）对于定制玻璃组合物以控制离子的迁移率以及因此取决于它的玻璃性质（例如离子释放、玻璃化转变温度和离子电导率）具有根本重要性。然而，大多数以前设计的生物活性玻璃是基于试错法，这是由于复杂的玻璃结构，这是不平凡的分析，因此，缺乏一个清晰的图片的玻璃结构在短期和中期秩序。因此，我们使用分子动力学模拟来研究使用MAE是否可以控制45 S5玻璃的生物活性和性质及其结构起源。我们发现，网络连接性，一个结构参数，通常用于访问硅酸盐玻璃的生物活性，不改变与锂或钾钠取代。相反，弹性模量表现出强烈的依赖于改性剂的类型，因为它们随着平均场强的增加而增加。类似地，玻璃元素的流动性受到用于取代Na的改性剂的类型的显著影响。的性质的变化进行了进一步讨论，并解释使用的变化在短期和中期的结构，给出以前的实验结果的证据。最后，我们强调的起源不存在的MAE，改性剂对玻璃的生物活性的影响，在预测氧化物玻璃的生物活性的动力学描述符的重要性，我们提供了必要的见解，在原子尺度上，需要进一步发展的生物活性玻璃。
2022-01-13 cond-mat.mtrl-sci
Bandstructure Effects in Silicon Nanowire Hole Transport
研究了强量子化硅纳米线场效应晶体管（FET）在不同输运方向上PMOS输运的能带结构效应。一个20带sp 3d 5s * 自旋轨道耦合（SO）原子紧束缚模型耦合到一个自洽的泊松求解器用于价带色散计算。弹道FET模型被用来评估电容和电流-电压特性。色散形状和曲率是器件尺寸、晶格取向和偏置的强函数，并且不能在有效质量近似下描述。限制质量在不同量子化方向上的各向异性可以导致电荷优选地在（110）表面中积累，其次在（112）表面上积累，而不是在（100）表面上积累，从而导致针对不同线取向的显著电荷分布。然而，纳米线FET器件的总栅极电容对于所研究的所有输运取向中的所有线而言非常相似（[100]，[110]，[111]），并且从氧化物电容退化约30%。与[100]线相比，[111]和其次是[110]取向的纳米线显示出最高的载流子速度和更好的导通电流性能。的色散特性和量子化行为，虽然一个复杂的功能的物理和静电约束，可以解释在一阶通过看重空穴价带的各向异性形状。
2008-09-20 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Ionic Diffusion Properties of Rare-Earth High-Entropy Oxides from a Machine-Learned Interatomic Potential
The Pennsylvania State University（宾夕法尼亚州立大学）
研究利用CHGNet机器学习原子间势驱动分子动力学模拟，探究铈基稀土高熵氧化物中氧扩散。通过对三种CHGNet变体基准测试，揭示氧传输受空位浓度和阳离子环境影响，明确成分调整增强氧离子电导率的途径。
2026-07-27 cond-mat.mtrl-sci
Turning Insulators into Accelerators: Deciphering the Interfacial Conductivity Boost in ZrO2-Li2ZrCl6 Composites through Machine Learning Molecular Dynamics Simulations
Suzhou Laboratory（苏州实验室）
通过机器学习分子动力学模拟揭示ZrO2-Li2ZrCl6复合材料界面导电性提升的原子机制，指导固态电池电解质设计。
2026-01-30 cond-mat.mtrl-sci
Computer simulations of ionic liquids at electrochemical interfaces
离子液体广泛用作电化学装置中的电解质。在这种情况下，许多实验和理论的方法已被最近开发用于表征其与电极的界面。在这篇文章中，我们回顾了计算机模拟领域（主要是分子动力学）的最新进展。本文提出了一种模拟恒电位电极的方法。几种类型的电极几何形状已被许多团体研究，以模拟平面，波纹和多孔材料，我们总结了所获得的结果的液体的结构。该结构控制对于给定的施加电势可以存储在电极表面的电荷量，这是超级电容器（也称为电化学双层电容器）中离子液体的高度局部使用的相关量。一个关键的功能，这也是由原子力显微镜和表面力仪器实验所示，是形成的层状结构的所有离子液体在平面电极的表面。这种组织不能发生在纳米多孔电极内部，这导致后者在超级电容器中的性能更好。模拟和电化学实验之间的协议仍然是定性的，虽然，我们概述了未来的发展方向，应该提高计算机模拟的预测能力。从长远来看，原子模拟也将被应用到电子转移反应的情况下，在界面上，使应用到更广泛的领域的电化学问题，并在这一领域的一些最近的工作也进行了评论。
2013-09-17 cond-mat.mtrl-sci physics.chem-ph
A Linear-Scaling, Charge-Aware Foundation Potential for Atomistic Simulations
Aiiso Yufeng Li Family Department of Chemical and Nano Engineering, University of California San Diego（艾索优峰李氏化学与纳米工程系，加州大学圣地亚哥分校）
本文提出电荷平衡张量网络（QET），实现线性缩放的电荷感知基础势，可准确描述静电主导系统的性质，解决了大规模原子模拟中静电作用的计算难题，具有多领域应用潜力。
2026-08-18 cond-mat.mtrl-sci physics.chem-ph
Electrically driven first-order phase transition of a 2D ionic crystal at the electrode/electrolyte interface
本文研究熔盐—金属界面吸附层的电致结晶，揭示预有序与突发单晶化两阶段机制，并通过有限尺寸分析确认后者为一级相变。
2025-07-25 cond-mat.mtrl-sci physics.chem-ph
Reversible Tuning of Superconductivity in Ion-Gated NbN Ultrathin Films by Self-Encapsulation with a High-$κ$ Dielectric Layer
离子门控是用于经由电场诱导的电荷掺杂来调整材料的物理性质的强大技术，但是倾向于在门控材料中引入超出纯静电的非本征无序和不期望的电化学改性。相反，可逆的、易失性的和静电调制在通过离子门控可获得的静电感应电荷密度实现的新型器件概念的可靠设计和操作中是关键的。在这里，我们展示了一个简单而有效的方法，实现可逆的和挥发性的表面敏感的氮化铌薄膜通过控制其表面的氧化门控。所得的氧化铌封装层表现出与未封装的离子晶体管的电容相当的电容，承受超过栅极电解质的电化学稳定窗口的栅极电压，并且使得封装膜的正常状态电阻率和超导转变温度两者的完全可逆的可调谐性成为可能。我们的方法应该是可转移到其他材料和设备的几何形状，更标准的封装技术是不容易适用。
2022-11-12 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci cond-mat.supr-con
A streamlined molecular-dynamics workflow for computing solubilities of molecular and ionic crystals
本文提出一种简化的分子动力学工作流，通过气相参考态和S0方法计算晶体化学势，预测氯化钠、尿素及扑热息痛多晶型的溶解度，发现结果对势能面敏感且谐波近似常失效。
2023-08-21 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.stat-mech physics.chem-ph
Finite Field Methods for the Supercell Modelling of Charged Insulator-Electrolyte Interfaces
与离子溶液相互作用的离子固体的表面可以通过离子交换来积累电荷。表面电荷由电解质边界处的过量电荷带补偿，形成双电层。这些双电层很难用计算凝聚相科学的超原胞方法来建模。当固体是电绝缘体（如大多数离子固体）时，问题出现，所述电绝缘体允许在代表超晶胞中的固体的板的宽度上的有限内部电场。平板充当电容器。储存的电荷是溶液中的不足，不能完全补偿固体表面电荷。在这里，我们展示了如何使用Stengel，Spaldin和Vanderbilt [Nat. Phys. { \bf 5}，304，（2009）]开发的有限场方法来克服这些问题。我们还展示了如何可以计算的双层的电容，一旦整体的电中性的双层恢复通过应用一个有限的宏观领域$\mathbf{E}$，或者由零电位移$\mathbf{D}$。该方法使用先前提出的恒定场方法的有限温度分子动力学适应性对固体-电解质界面的经典模型进行了验证[Phys. Rev. B，2016，93，144201]。由于电解质中的离子可以扩散穿过超晶胞边界，这个应用被证明是周期系统中极化多值性的关键说明。
2016-11-26 cond-mat.mtrl-sci physics.chem-ph
