新型半导体纳米材料，让待检分子的拉曼信号放大107倍
中国科学家新近发现了一种能检测痕量生物小分子的新型半导体材料。来自中国科学院上海硅酸盐研究所的杨勇、黄政仁等，发现Nb2O5可以显著增强生物医药领域染料分子的拉曼信号。粗糙衬底上的纳米尺寸效应能增加光场，利用这种增强的光信号来检测特定分子的技术叫表面增强拉曼光谱（SERS）技术。但只有少数几种贵金属材料（如金、银）才能将信号强度提高到实用水平。杨勇等发现了一种目前SERS活性最强的半导体衬底材料，氧化铌纳米晶，可以高灵敏检测亚甲基蓝、甲基紫以及甲基蓝等染料分子。他们在检测亚甲基蓝染料时发现，在633和780 nm光激发下，拉曼信号增强了107倍以上。
Shan et al.
doi:10.1038/s41524-017-0008-0
npj Computational Materials 3, Article number: 11 (2017)
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Niobium pentoxide: a promising surface-enhanced Raman scattering active semiconductor substrate
理论计算技术的最新发展显著提高了基于密度泛函方法的计算预测能力。本文综述了这些技术进步如何改进了对GaN晶体中本征缺陷的理解。本文首先回顾了点缺陷的计算方法，并讨论了密度泛函理论带隙计算问题的解决如何影响本征缺陷的计算。特别地，本文考察了通过校正的半局域泛函（如广义梯度近似）在多大程度上可以准确描述缺陷结构的特征。本综述介绍了GaN中的空穴、空隙和反占位缺陷的性质，以及它们与常见杂质的相互作用。结合第一原理计算结果与实验表征，本文还讨论了本征缺陷及其复合物如何影响了氮化物器件的性能。总体而言，广义梯度近似等密度泛函方法与带-隙校正方法结合，可以获得准确定性结果。然而，这些计算方法在某些重要情况下，特别是在光学跃迁和局域载流子等体系有可能丢失了重要的物理现象。
John Lyons & Chris van de Walle
doi:10.1038/s41524-017-0014-2
npj Computational Materials 3, Article number: 12 (2017)
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Computationally predicted energies and properties of defects in GaN
美国研究人员设计了一个模型来帮助了解诸如铝和铜等金属中晶体是如何堆积形成的机制。大多数金属形成多晶微结构，即它们由许多不同尺寸和取向的小晶体组成。在不同取向的晶界处，缺乏有序结构，难以对其性质进行建模。针对这些问题，北卡罗来纳州立大学的Arash Banadaki和Srikanth Patala首先对这些界面结构与微观单元结构的关系作出了定量处理，开发一个三维模型，依据微结构中原子沿着无序区域堆积模式的几何结构进行分类。该模型虽然只在面心立方晶体上进行了测试，但也适用于其他有不同晶格结构体系。本方法是通过自下而上设计出所需性能的结构材料的第一步，也是关键一步。
Banadaki & Patala
doi:10.1038/s41524-017-0016-0
npj Computational Materials 3: 13 (2017)
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A three-dimensional polyhedral unit model for grain boundary structure in fcc metals
采用通用界面模型计算复杂3D雪花生长为其他树状材料的模拟提供理论依据。当雪晶种子穿过大气不断捕获水分子时，雪晶体通过初始种子向外扩展而使水分子凝固。虽然大多数模拟方法都将这种不断增长的界面视为一个敏感的界限，但法国鲁昂大学的Gilles Demange和同事们报告说，可变换的模拟方法获得非常实用的结果。他们用相场模型技术，将雪花表面表示为冰和水蒸气混合的可移动薄层，用新的表面张力函数来表示各向异性结晶。该方法包括了模拟3D晶面的特殊算法，能使模型准确重现出基本的雪花形态，并可对各种气象条件下云中的冰水含量进行预测。
Demange et al.
doi:10.1038/s41524-017-0015-1
npj Computational Materials 3,15 (2017)
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A phase field model for snow crystal growth in three dimensions
综述：相场法在辐射核材料微观结构和性能演化预测中的应用
核材料引起的高能粒子辐照和高温极端环境将使核反应堆中的材料发生复杂的微观结构变化。本文回顾了相场方法用于核材料微结构在辐射环境中的演化，以及微结构的演化对材料力学性能、热性能和磁性能的影响。首先概述了缺陷演化的重要物理机制，以及高能粒子辐照下对核材料微观结构演化模拟所存在的不足之处。然后介绍了有强大预测功能的相场法，并综述其在放射核材料微结构和性能演变方面的应用。他们指出：1）相场模型可以正确描述诸如空间依赖性缺陷的演化（即缺陷的生成、迁移、重组和分解）、Soret效应、强界面能和扩散各向异性、弹性相互作用等重要现象；2）相场法可以定性和定量地模拟2D和3D微结构演化，包括辐射诱导的偏析、第二相成核、缺陷迁移、孔洞和气泡超晶格形成、位错环演化、氢化物形成和晶粒生长；3）相场法可正确预测微观结构与其性质之间的关系。本文最后他们还特别讨论了相场法在模拟核材料辐照效应中的优势和局限性。
Li et al.
doi:10.1038/s41524-017-0018-y
npj Computational Materials 3, Article number: 16 (2017)
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A review: applications of the phase field method in predicting microstructure and property evolution of irradiated nuclear materials
磁电异质结构的计算模拟和材料设计：进展、问题和展望
磁电复合材料及异质结集磁性材料和介电材料的特性于一身，更重要的是，多种序参量之间的耦合会产生新的效应，例如，磁性材料中磁性序和介电材料中电极化序相互耦合产生磁电效应，即：磁场能和电场能可以在几乎零电流下实现相互转换，转换量大小决定了效应的强弱。复合材料和异质结中的磁电效应，通常由材料不同组元之间的界面进行磁、电和/或弹性能量的转换而实现，并可通过为每个材料组元选择合适的材料、形状及尺寸、及微结构而进行优化和设计。本文介绍了理论和计算指导下磁电耦合机理及磁电异质结设计两方面的最新进展，并讨论了磁电异质结方面一些有待解决的问题。我们编制了一个相对全面的实验数据集，用以总结块体和薄膜复合材料中的磁电耦合系数，并对磁电复合材料在材料微结构（介观）尺度上的数据驱动的计算设计作了展望。
Hu et al.
doi:10.1038/s41524-017-0020-4
npj Computational Materials 3:18 (2017)
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Understanding and designing magnetoelectric heterostructures guided by computation: progresses, remaining questions, and perspectives
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