npj: 能源材料的界面设计—第一性原理计算

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Herbert Kroemer教授在2000年获诺贝尔奖的演说中指出“界面就是设备”。当时，他指的是取得巨大成功的微电子领域中半导体异质结器件的设计和应用。而现在，Kroemer教授的预见性早已超出了晶体管领域，并已在一系列技术中得到验证，其中异质结也获得了初步成功。随着电子设备向更小尺寸的发展，界面区域在设备中的比例逐渐增加，展现了界面结构、性能的重要性。此外，研究人员发现材料之间的界面代表了单一材料往往不具备的特性，体现了其独特的外来特性，例如二维电子气（或液体）和量子拓扑状态。显然，界面的重要性还会随着现代技术的应用发展而不断增大，但界面设计在能源材料领域的研究进展如何，尚没有全面而权威的文章予以介绍。

来自英国Rutherford Appleton实验室科学计算部SciML的Keith T. Butler教授、美国普林斯顿大学机械与航空航天工程系的Gopalakrishnan Sai Gautam教授、新加坡国立大学材料科学与工程系的Pieremanuele Canepa教授，共同回顾了利用第一性原理计算设计能源材料界面的研究进展。他们首先概述了“铅笔纸”理论，它是一种解释电子结构模拟计算材料性能的理论。随后，他们强调了这些概念在计算能源材料特性中的应用。他们发现能源材料各领域所开发的一系列独特的、用于计算各自材料性质的技术，有望应用于其他能源领域的材料。最后，他们提出了未来能源材料界面建模需要解决的问题和挑战，这些挑战的突破对于成功理解、设计和改进计算材料科学中的界面至关重要。

该文近期发表于npj Computational Materials 5: 19 (2019)，英文标题与摘要如下，点击左下角“阅读原文”可以自由获取论文PDF。

Designing interfaces in energy materials applications with first-principles calculations 

Keith T. Butler,Gopalakrishnan Sai Gautam & Pieremanuele Canepa

Materials for energy-related applications, which are crucial for a sustainable energy economy, rely on combining materials that form complex heterogenous interfaces. Simultaneously, progress in computational materials science in describing complex interfaces is critical for improving the understanding and performance of energy materials. Hence, we present an in-depth review of the physical quantities regulating interfaces in batteries, photovoltaics, and photocatalysts, that are accessible from modern electronic structure methods, with a focus on density functional theory calculations. For each energy application, we highlight unique approaches that have been developed to calculate interfacial properties and explore the possibility of applying some of these approaches across disciplines, leading to a unified overview of interface design. Finally, we identify a set of challenges for further improving the theoretical description of interfaces in energy devices.

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