新火種
2025-03-26 
為矛盾的理論提供統一解釋，牛津大學等揭秘非晶硅結構
編輯丨coisini
非晶硅（α-Si）是研究最廣泛的無序網絡固體之一，其結構已經被研究了幾十年。兩種主要理論分別基于連續隨機網絡模型和「類晶體」模型，后者被定義為在保持整體非晶網絡的同時，表現出類似于晶體狀態的局部結構有序性。然而，這種局部有序性的程度一直不明確。
最近，一篇題為《Signatures of paracrystallinity in amorphous silicon from machine-learning-driven molecular dynamics》的論文利用機器學習驅動的模擬方法，系統地采樣了淬火硅的構型空間，從而揭示了非晶化和結晶化之間的界限。這項研究為非晶網絡看似矛盾的理論提供了統一的解釋。研究團隊來自牛津大學等機構，論文發表在《Nature Communications》上。
論文地址：https://www.nature.com/articles/s41467-025-57406-4
簡單來說，該研究采用精確且高效的 teacher–student 方法，系統地對非晶硅的構型空間進行了采樣，以探索完全無序結構與晶體結構之間是否存在中間狀態。
該研究將準確但相對較慢的「teacher」機器學習勢（Si-GAP-18）蒸餾成一個更快的「student」模型，其中使用矩張量勢（MTP）。
該研究在分子動力學（MD）模擬中創建了一個非晶硅結構模型庫，這些模型的參數經過了系統性變化。具體而言，該研究對四種系統規模（64、216、512 和 1000 個原子）進行了熔融淬火模擬，并采用四種淬火速率：10^13、10^12、10^11 和 10^10K/s。
為了獲得一組不相關的結構，該研究僅從每次熔融淬火模擬中提取最后一幀，最終得到了一個包含 3069 個獨特結構（約 130 萬個原子）的數據集。
盡管類準晶介于 CRN 和類多晶之間，但它在拓撲和能量上與前者有顯著的重疊。該研究選擇在重疊范圍內的四個 1000 原子的類準晶結構（標記為 I 至 IV），進行了更詳細的分析。
然后該研究分析了數據集中的聚類趨勢：
分析結果使該研究提出了一種修正的類準晶硅模型，該模型與高質量的實驗數據一致。
感興趣的讀者可以閱讀論文原文，了解更多研究內容。
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