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非晶硅（α-Si）是研究最廣泛的無序網(wǎng)絡(luò)固體之一，其結(jié)構(gòu)已經(jīng)被研究了幾十年。兩種主要理論分別基于連續(xù)隨機(jī)網(wǎng)絡(luò)模型和「類晶體」模型，后者被定義為在保持整體非晶網(wǎng)絡(luò)的同時(shí)，表現(xiàn)出類似于晶體狀態(tài)的局部結(jié)構(gòu)有序性。然而，這種局部有序性的程度一直不明確。
最近，一篇題為《Signatures of paracrystallinity in amorphous silicon from machine-learning-driven molecular dynamics》的論文利用機(jī)器學(xué)習(xí)驅(qū)動(dòng)的模擬方法，系統(tǒng)地采樣了淬火硅的構(gòu)型空間，從而揭示了非晶化和結(jié)晶化之間的界限。這項(xiàng)研究為非晶網(wǎng)絡(luò)看似矛盾的理論提供了統(tǒng)一的解釋。研究團(tuán)隊(duì)來自牛津大學(xué)等機(jī)構(gòu)，論文發(fā)表在《Nature Communications》上。
論文地址：https://www.nature.com/articles/s41467-025-57406-4
簡(jiǎn)單來說，該研究采用精確且高效的 teacher–student 方法，系統(tǒng)地對(duì)非晶硅的構(gòu)型空間進(jìn)行了采樣，以探索完全無序結(jié)構(gòu)與晶體結(jié)構(gòu)之間是否存在中間狀態(tài)。
該研究將準(zhǔn)確但相對(duì)較慢的「teacher」機(jī)器學(xué)習(xí)勢(shì)（Si-GAP-18）蒸餾成一個(gè)更快的「student」模型，其中使用矩張量勢(shì)（MTP）。
該研究在分子動(dòng)力學(xué)（MD）模擬中創(chuàng)建了一個(gè)非晶硅結(jié)構(gòu)模型庫(kù)，這些模型的參數(shù)經(jīng)過了系統(tǒng)性變化。具體而言，該研究對(duì)四種系統(tǒng)規(guī)模（64、216、512 和 1000 個(gè)原子）進(jìn)行了熔融淬火模擬，并采用四種淬火速率：10^13、10^12、10^11 和 10^10K/s。
為了獲得一組不相關(guān)的結(jié)構(gòu)，該研究?jī)H從每次熔融淬火模擬中提取最后一幀，最終得到了一個(gè)包含 3069 個(gè)獨(dú)特結(jié)構(gòu)（約 130 萬個(gè)原子）的數(shù)據(jù)集。
盡管類準(zhǔn)晶介于 CRN 和類多晶之間，但它在拓?fù)浜湍芰可吓c前者有顯著的重疊。該研究選擇在重疊范圍內(nèi)的四個(gè) 1000 原子的類準(zhǔn)晶結(jié)構(gòu)（標(biāo)記為 I 至 IV），進(jìn)行了更詳細(xì)的分析。
然后該研究分析了數(shù)據(jù)集中的聚類趨勢(shì)：
分析結(jié)果使該研究提出了一種修正的類準(zhǔn)晶硅模型，該模型與高質(zhì)量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)一致。
感興趣的讀者可以閱讀論文原文，了解更多研究?jī)?nèi)容。
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