能源材料机理与设计
随着计算机水平的发展，人们利用大型计算机去模拟材料、理解材料和设计材料已经成为一个重要的研究手段，这就是所谓的计算材料科学。能源材料机理与设计研究方向就隶属于计算材料科学，主要是结合第一性原理和分子动力学两种方法研究能源材料的晶体结构、热力学稳定性、电子特征、声子能谱、磁性、光学特性和超导电性等物理化学性质，探究材料的微观结构和性能机制，以此全面深入地认识该材料并根据应用需求对材料提出改性和新设计。近年来课题组在该研究方向聚焦于（1）轻元素超导体、（2）离子电池材料、（3）光电材料这三个研究领域。
1.轻元素超导体
近年来在钾金属掺杂的芳香有机材料中观察到了超导临界温度达到123 K的常压超导现象，在高度压缩的氢化物中也观察到接近室温的超导电性，这说明由轻元素组成的材料是优异的高温或室温超导体，有望在能源、信息和电子等领域实现大规模的应用。我们在此研究领域主要针对三元氢化物和芳香有机化合物两类材料，致力于揭示高温超导机理，探索发现更多新型的常压（或低压）高温（或室温）超导体。
课题研究受到了国家自然科学基金和深圳市基础研究计划的重点资助，团队近年来已经开展了不同金属掺杂甲烷的三元氢化物和金属掺杂不同芳烃的结构、金属化和超导电性研究，初步揭示了这两类体系的压致相变规律、金属化机理和超导的电声调制性，理论预测了多种低压或常压高温超导体，并指出了提升超导转变温度的机制。相关研究结果在Adv. Mater.、Small、Carbon、J. Phys. Chem. Lett./C等杂志上发表学术论文50余篇。
图1：左为三元氢化物的结构示意图，右为金属掺杂的芳香有机化合物的结构示意图。
2.离子电池材料
锂离子电池已经在人们的日常生活中被普遍使用，随着社会进步和生活需求的不断增大，人们对离子电池的性能要求不断提升，但是现有的离子电池电极材料（比如石墨和硅碳负极）会面临着无法满足新的高性能要求以及严重的安全问题。为此，我提出研究新型的离子电池电极材料，包括新型的多孔微纳负极、正极材料改性和新的电解质材料设计。
该课题受到深圳市基础研究学科布局等项目的支持开展了相关正极材料、固态电解质和多孔负极材料的设计研究。尤其在有机负极方向做出了突破性进展，芳香环构成的稠环和联苯类有机负极具有较高的理论比容量（>800 mAh/g)和小的体积膨胀率(<60%)，并实验开发了基于有机负极材料的镁基双离子电池，以及新型高浓度和高电压电解液，显著提升了双离子电池的循环稳定性。相关成果在J. Phys. Chem. C和Solid State Ioins等杂志上发表学术论文近10篇。
图2：左为一种芳香有机负极材料的结构，中为一种正极材料结构，右为一种固态电解质的原子结构。
3.光电材料
铜基化合物材料具有非常好的光学性能和低成本优势，被广泛应用在薄膜光伏太阳能电池和光电探测领域，这也正是研究中心的主打方向之一，我们与实验课题组合作，采用理论计算方法开展这些铜基薄膜光电材料的能带调控工程和缺陷机理研究。
团队近年来在国家重点研发计划和国家自然科学基金等项目的资助下，我们设计了一类新型的光伏电池材料---- Cu2XSnSe4（X=Mg,Ca等），其中Cu2MgSnSe4材料用作光伏电池材料吸收层已经达到了接近10%的光电转换效率；另外采用Cd替换Cu2ZnSnSe4中的Zn元素，从而调控禁带宽度，发现Cd浓度接近0.65时禁带宽度达到最小并出现一个反转，利用该掺杂调控，我们设计合成了一种宽光谱红外探测器材料，使之具有快速响应和高探测性能，且能与Si工艺兼容降低成本。
图3：Cd替换Cu2ZnSnSe4中的Zn元素导致的结构和禁带宽度变化，已经红外响应和探测性能表征。
