Unraveling Thermal Transport Correlated with Atomistic Structures in Amorphous Gallium Oxide via Machine Learning Combined with Experiments

材料科学 无定形固体 热的 工作(物理) 分子动力学 氧化物 纳米技术 化学物理 统计物理学 物理 热力学 计算化学 化学 结晶学 冶金
作者
Yuanbin Liu,Huili Liang,Lei Yang,Guang Yang,Hong-Ao Yang,Shuang Song,Zengxia Mei,Gábor Cśanyi,Bing Cao
出处
期刊:Advanced Materials [Wiley]
卷期号:35 (24) 被引量:30
标识
DOI:10.1002/adma.202210873
摘要

Thermal transport properties of amorphous materials are crucial for their emerging applications in energy and electronic devices. However, understanding and controlling thermal transport in disordered materials remains an outstanding challenge, owing to the intrinsic limitations of computational techniques and the lack of physically intuitive descriptors for complex atomistic structures. Here, it is shown how combining machine-learning-based models and experimental observations can help to accurately describe realistic structures, thermal transport properties, and structure-property maps for disordered materials, which is illustrated by a practical application on gallium oxide. First, the experimental evidence is reported to demonstrate that machine-learning interatomic potentials, generated in a self-guided fashion with minimum quantum-mechanical computations, enable the accurate modeling of amorphous gallium oxide and its thermal transport properties. The atomistic simulations then reveal the microscopic changes in the short-range and medium-range order with density and elucidate how these changes can reduce localization modes and enhance coherences' contribution to heat transport. Finally, a physics-inspired structural descriptor for disordered phases is proposed, with which the underlying relationship between structures and thermal conductivities is predicted in a linear form. This work may shed light on the future accelerated exploration of thermal transport properties and mechanisms in disordered functional materials.
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