基于拉曼光谱信息的无序材料反向蒙特卡洛方法：以硼酸盐玻璃为例的研究

《ACTA MATERIALIA》：Raman-informed reverse Monte Carlo for disordered materials: Case studies in borate-based glasses

　　

浦田信吾（Shingo Urata）

摘要

无序材料的结构复杂性限制了仅依靠衍射的反向蒙特卡洛（RMC）方法唯一确定关键结构单元（如三元环）的能力。我们提出了结合拉曼光谱信息的RMC方法（RiRMC），该方法在衍射数据的基础上，直接利用实验测量的拉曼光谱作为结构约束。通过使用基于密度泛函理论（DFT）计算得到的预定义结构单元的原子级贡献数据库，光谱可以实时重建，从而无需进行耗时的从头算（ab initio）计算，并引导模拟过程朝向与光谱学结果一致的结构方向发展。将该方法应用于玻璃态B${}_2$' role="presentation">${}_2$O$3_{}$' role="presentation">${}_3$和硼酸锂样品中，RiRMC能够一致地识别出大量的三元环结构，捕捉到约800 cm^?1处的特征性锐峰，并同时再现了中子衍射结果$S\left(q\right)$' role="presentation">$S\left(q\right)$，从而解决了传统RMC方法和熔融淬火分子动力学（melt–quench MD）方法难以准确描述的结构问题。对于更大的模型，利用拉曼光谱引导的MD初始化可以加快收敛速度，并得到与实验结果较为吻合的环状结构分布，同时保持$S\left(q\right)$' role="presentation">$S\left(q\right)$的一致性。目前仍存在的挑战包括：DFT方法对富碱玻璃中非硼氧醇环结构的强度估计偏低，以及需要更高效的蒙特卡洛采样技术；通过实验分解光谱和改进采样方法可以在实际应用中缓解这些问题。总体而言，RiRMC为玻璃的定量微观结构建模提供了一个可扩展的、基于光谱学的数据驱动框架，该方法易于扩展到其他无序材料及其表征方法，实现了基于实验数据的原子级模拟。