IM2ODE 软件包的全称是 Inverse Design of Materials by Multi-objective Differential Evolution, 即基于多目标差分演化算法进行逆向材料设计。在确定了定量的目标性质(比如 半导体的带隙和硬度等)的情况下,该软件包能够在仅仅给定化学组分的情况下将具有该性 质的原子排布组合给预言出来。至今,该软件包已经被国内外众多计算物理学界同行所采 用,成为逆向材料设计领域的一种重要方法。

一个简短的介绍

人类社会的进步离不开新材料。从石器时代、青铜器时代到信息时代(硅及其相关材料的发现 和应用),人类文明的跨越式发展离不开新材料的发现和应用。然而,传统的寻找新材料的手 段是通过不断地尝试人类已经发现的材料,就像爱迪生百年前尝试用各种不同材料制作灯丝 一样,这种通过盲目地合成材料来进行筛选的过程无疑耗时耗力。现在,随着超级计算机以 及第一性远离计算方法的发展,只要给定凝聚态物质内部的原子堆垛方式,即材料的微观结 构,就能通过计算得知该物质宏观的物理和化学性质。

逆向材料设计,就是从物理学和材料科学的基本原理出发,从理论上预言具有特定性质的新 材料,这是科学家们长久的梦想。因此,我们有必要开发新方法来发展逆向材料设计,使得 理论结构预测方法能够预言特定性质的新材料,从而起到指导实验和加快新材料发现进程的 目的。逆向材料设计软件包的开发工作就是在这一背景下开展的。

该软件由张越宇博士在龚新高教授的指导下开发,现已开源。张越宇师姐是个是个十分优秀的 科研工作者,博士毕业后,在瑞士从事博士后研究。

这个软件能干啥?

  • 设计功能材料:
    • 特定能带带隙
    • 超硬材料
  • 设计不同维度的材料:
    • 三维晶体结构
    • 二维层状和表面结构
    • 一维纳米条带结构
    • 零维团簇结构和复杂缺陷
target properties and structures

Target properties and atomic configurations that can be predicted by IM2ODE

这个软件是怎样进行搜索的?

simulation-method.jpg

Procedure of the IM2ODE package including both DE process for single objective optimization (a) and MODE for multi-objective optimization (b).

optimizing-multi-objectives.jpg

Each dot on the objection plane represents a solution generated by IM2ODE package. The red dots present the first Pareto front

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参考

  • Zhang YY, Gao WG, Chen SY, Xiang HJ, Gong XG*, “Inverse design of materials by multi-objective differential evolution”, Comput. Mater. Sci., 2015, 98, 51-55.
  • HZ, Zhang YY, Gong XG, Xiang HJ, “Predicting New TiO2 Phases with Low Band Gaps by a Multiobjective Global Optimization Approach”, J. PHYS. Chem. C, 2014, 118, 2333-2337.
  • IM2ODE 项目主页: https://github.com/YueyuZhang/IM2ODE