界面建模、计算与分析

现实生活中，界面几乎无处不在：喝杯啤酒，有空气/啤酒沫/啤酒界面；吃个火锅，汤料/食材/火锅，都是界面！更不用说各类新型材料和器件，例如电池，界面显著影响传质传导。正因为如此，界面工程频频走上顶级刊物。

对界面的理解和优化，充满挑战。首先它是交叉学科，涉及物理、材料、化学等，其次成份往往非常复杂多变，界面处原子键合与电子结构往往偏离理想块体和典型表面。很多时候，你会觉得界面好像中年人，上有老、下有小，身兼数职、难以平衡，但且承担诸多性能要求：界面得刚、不拉跨，同时界面得柔，能兼容。因此，没有原子甚至电子水平的理解，优异界面设计无从谈起。

计算模拟无疑是研究界面的理想工具：有实验难以比拟的灵活性去筛选潜在界面匹配材料，同时又能在电子水平理解界面带来哪些影响，并澄清构效关系。现实操作上，界面计算起码要解决三个环节：合理建模、准确计算、深入分析。这对于大部分缺乏界面研究经验的朋友，都不容易！

计算老司机本次界面建模与计算，就是为了解决上面三个问题，用案例讲解界面模型如何建立和简化，同时如何分析界面键合、能量与电子结构。3节理论配合3节操作，每节操作都有完整案例，包含建模、参数测试、计算、数据分析。老司机倡导浸入式学习，用案例带动理论和方法学习！11月29日，不见不散！

第一节：界面建模

模型直接决定了一个计算的品质，黄金标准就是：模型是否反映了真实体系的核心特征？是否在操作上具有可行性？然而面对真实样品，尤其是乱糟糟的多相、变形界面，我们未必能快速抓住界面的关键特征。比如同样是MgH2复合体系实现低温放氢的研究，老司机在不同论文中采用了不同模型，有界面、有表面、有团簇和团簇孔填充模型（如下图），这背后取舍之道就在于如何抓体系核心特征。这是一种本领，可以通过训练获得。

老司机基于界面典型特征，从异质结开头，通过系统讲解典型案例，逐渐深入到跨维结构、包覆、超晶格以及表面重构等，凝练出界面建模最需要注意的环节。我们会把这些概念和方法融入到相应的练习案例，进一步定量计算界面能、界面变形分析以及电子结构。

第二节：界面结构与能量

有了模型，就需要着手获得可靠的结构，这就涉及界面结构优化和能量计算与分析。简单地说，两种成份AB放到一起，如何取向、键合以及优化取舍，是能直接影响到计算质量的。比如碳纳米管增强铜基复合材料（如下图），这是典型界面问题，如何在模型中放置和优化纳米管，就有技巧了。首先是出发点不能错，例如现在还能看到部分文献采用表面描述这个界面问题，这也有朋友考虑多层纳米管导致模型过于庞大而无法展开，这些都涉及结构优化问题。

老司机精心挑选了多个案例，从最基本的界面参数优化到取向扫描，从界面能到更丰富的界面热力学，并进一步拓展到半周期界面、多相催化界面、电池界面反应、柔性链界面问题。实际操作案例，催化和电池应用各有完整案例，从建模和结构优化到能量与电子结构。

第三节：界面电子结构

界面改变的，绝非原子键合那么简单，电子结构改变才是大部分物理化学性质变化的根本原因。例如我们在光催化中频繁看到各类异质结设计用以提高太阳能吸收和光催化效率（如下图），其背后的物理机制就是界面两侧半导体电子能级存在差异，这就导致界面可能出现偶极矩和内建电场，从而使得光生电子转移具有内在驱动。操作上，如何计算和理解界面接触导致的电子结构变化，甚至定量计算带边偏离(band offset), 是本节课需要解决的。

老司机选择了经典案例，首先从基本电子结构出发，讲解投影能带和态密度，然后转入界面直接相关的物理量，比如极性、静电势、内建电场计算等，给出定量计算方法，并在实际操作案例得到进一步强化。

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有录播、可以反复观看；有课程群和多位助教，可以及时答疑；有超算和案例，可以理论-操作-分析三合一。感兴趣，请联系老司机团队（VX：jisuanlaosiji），11月底有直播。