大数据揭示过渡族金属离子结构相似性

从原子尺度理解化合物“结构-物性”间的构效关系是物质科学领域的基本问题，厘清物质微观局域结构的统计特征，有助于科学家更好地阐释物理、材料、化学等学科中的科学问题。当今，广泛使用的物质科学基本数据多源自20世纪中后期，数值较为陈旧。例如，物质科学领域广泛使用近半个世纪的离子半径数值源自20世纪60年代的统计数据，随着材料科学数据的积累，海量数据将带给物质科学领域新数值与新认知。

近日，中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心表面物理国家重点实验室研究员孟胜、特聘研究员刘淼，与美国劳伦斯伯克利国家实验室教授Kristin A. Persson合作，系统地分析了3万余个过渡金属氧化物的晶体信息，提炼出过渡族金属离子的配位结构、价态、离子键长、原子磁矩、Jahn-Teller效应导致的局部形变、结构稳定性等物理量的详细信息，取代广泛使用近半个世纪、仅用“离子半径”一个参数表征材料的传统做法。

本工作表明每种过渡族金属离子均具有各自的“形状”“尺寸”和“原子磁矩”，从而勾画出固体中每种过渡金属离子的“个性”画像；通过人工智能方法，进一步获取过渡金属离子的结构相似性“模板”，可用于指导新材料设计和稳定性快速评估。

依据上述离子的结构相似性知识，该团队借助离子替换扩展了人类已知的化合物空间，生成了6万余个人类未知的新结构，通过对这些结构进行高通量计算，找到5千个稳定的新化合物（Ehull < 20meV/atom），这些新材料易被试验合成，有效地扩展了材料科学的化合物“版图”。该研究为探索更广阔的无机材料相空间提出了新思路，所有化合物信息均可在Atomly材料数据库（https://atomly.net/）查询。

相关研究成果以Persona of Transition Metal Ions in Solids: A Statistical Learning on Local Structures of Transition Metal Oxides为题，发表在Advanced Science上。研究工作得到国家重点研发计划和中科院等的支持。

图1.过渡金属离子在局域环境中的配位偏好（离子的“形状”）

图2.3d TM-O键长与价态、热力学稳定性的关系

图3.3d过渡金属离子的原子磁矩与价态和Jahn-Teller效应间的统计结果

图4.过渡金属离子的局域结构相似性。深色代表高相似性

来源：中国科学院物理研究所