初生牛犢，往往不會按照套路出牌；就像你永遠不知道，明天會發(fā)生什么？對無定形狀態(tài)變化進行觀察，就是這樣一件十分困難的事情。因為，在無定形狀態(tài)中，變化過程通常非常緩慢，不會像有序的晶體轉(zhuǎn)變過程那樣發(fā)生突變。通過計算模擬，可以幫助我們了解無定形狀態(tài)如何變化。然而，傳統(tǒng)的DFT計算方法進行精確量子計算模擬時，最多支持數(shù)百個原子，時間最多為幾個飛秒，難以滿足模擬無定形狀態(tài)變化過程的需求。
硅，作為當今半導(dǎo)體時代的霸主，其重要不言而喻。硅是一種熔化時能夠增加密度的材料，這種現(xiàn)象僅僅在少數(shù)體系中才發(fā)現(xiàn)，比如冰浮在水面上。這種異常的固-液密度關(guān)系和多晶型現(xiàn)象（polyamorphism）有關(guān)，即底物能夠表現(xiàn)出多種無定形結(jié)構(gòu)和性質(zhì)。液態(tài)Si是一種金屬性導(dǎo)電材料，但是固態(tài)Si在大氣環(huán)境條件中卻表現(xiàn)為半導(dǎo)體狀態(tài)，使得其能夠廣泛應(yīng)用在計算機芯片、太陽能電池等領(lǐng)域。圖1. 通過機器學(xué)習(xí)能夠?qū)^大規(guī)模的體系進行高精度模擬機器學(xué)習(xí)方法能夠用于無序態(tài)液體/固體中的結(jié)構(gòu)、成鍵狀態(tài)的模擬。通過對足夠量的原子（達到納米尺度的模型）作為模型，能夠與實驗過程數(shù)據(jù)進行比較。有鑒于此，牛津大學(xué)Volker L. Deringer等人報道了無序結(jié)構(gòu)Si中結(jié)構(gòu)、電子態(tài)變化過程，揭示了壓縮狀態(tài)中硅由半導(dǎo)體態(tài)變?yōu)榻饘賾B(tài)的現(xiàn)象。和晶體狀態(tài)之間的變化不同，這種無定形狀態(tài)的變化過程是一種逐步演變的過程，研究人員發(fā)現(xiàn)了任何晶態(tài)中都不存在的原子排布和納米結(jié)構(gòu)。倫敦大學(xué)學(xué)院Paul F. McMillan等對此進行了述評。研究人員通過一種機器學(xué)習(xí)方法，能夠?qū)?00000個Si原子的體系晶相變化過程進行模擬，實現(xiàn)了對20 GPa條件中處于壓縮態(tài)的200000個Si原子進行模擬，而且這種較大規(guī)模的模擬計算精確度較高，能夠用于對各種亞穩(wěn)態(tài)的無定形結(jié)構(gòu)進行研究。圖2. 基于機器學(xué)習(xí)模擬無定形Si在高壓壓縮過程中的晶相變化過程對Si在壓縮過程中的變化情況進行模擬，研究人員首次揭示了其中的復(fù)雜變化過程：無定形狀態(tài)變化過程中，原子的配位數(shù)并不會像晶相轉(zhuǎn)變過程中那樣，所有原子同時發(fā)生配位數(shù)增加，而是在四配位環(huán)境中通過形成高配位數(shù)目的納米區(qū)域進行更加平緩的變化。這種轉(zhuǎn)變過程中，經(jīng)歷了三種無定形狀態(tài)：1）低密度無定形LDA（low-density amorphous）2）高密度無定形HDA（high-density amorphous）3）超高密度無定形VHDA（very-high-density amorphous）其中超高密度的無定形VHDA，為一種瞬態(tài)過程，能夠快速轉(zhuǎn)變?yōu)槎嗑顟B(tài)，難以在計算模擬中被發(fā)現(xiàn)。其中HDA相的結(jié)構(gòu)和液體金屬態(tài)類似，其中LDA-HDA轉(zhuǎn)變的過程之前在無定形Si快速加熱、在環(huán)境溫度中進行壓縮的過程中觀測到。該工作實現(xiàn)了對無定形Si的晶相變化過程中比較全面的模擬，能夠和實驗結(jié)果相符合。該方法能夠拓展到其他類材料，用于高精度的結(jié)構(gòu)、穩(wěn)定性以及各種性質(zhì)預(yù)測。更重要的是，這種方法能夠?qū)膯蝹€原子到各種多晶、異質(zhì)結(jié)等各種納米結(jié)構(gòu)現(xiàn)象進行模擬，為計算模擬從簡單結(jié)構(gòu)模型向更加符合實驗環(huán)境的系統(tǒng)邁進。Paul F. McMillan, Machine learning reveals the complexity of dense amorphous silicon, Nature 589, 22-23 (2021)DOI: 10.1038/d41586-020-03574-whttps://www.nature.com/articles/d41586-020-03574-wVolker L. Deringer*, Noam Bernstein, Gábor Csányi, Chiheb Ben Mahmoud, Michele Ceriotti, Mark Wilson, David A. Drabold & Stephen R. Elliott, Origins of structural and electronic transitions in disordered silicon, Nature 589, 59–64 (2021)DOI: 10.1038/s41586-020-03072-zhttps://www.nature.com/articles/s41586-020-03072-z
