虚假虚声子模式对金属有机框架热性能的影响

《npj Computational Materials》：The impact of spurious imaginary phonon modes on thermal properties of Metal-organic Frameworks

　　

摘要

金属有机框架材料被视为用于直接捕获温室气体和水分的理想材料。人们利用这些材料的热性能，如热容值，来评估在温度摆动吸附过程中回收吸附剂所需的能量成本。为帮助探索适用于此类应用的金属有机框架材料的庞大实验设计空间，人们开发了密度泛函理论等计算方法，或是基于密度泛函理论数据训练的机器学习模型，用以获取金属有机框架材料的声子相关热容值。然而，对于那些结构复杂且具有高度灵活性的纳米多孔金属有机框架材料而言，精确计算声子能量成本的成本极高，这往往迫使研究者使用较小的超单元模型或放宽收敛标准，而这些做法会降低预测精度。这类近似处理方式常常会导致出现虚假的虚数声子模式，而实际研究中通常会忽略这些模式。目前，学术界尚未就何种程度的负频率或多少比例的虚数声子模式可以视为可接受达成共识。在本研究中，我们系统地证明了虚假的虚数声子模式会显著影响热容值的估算结果，进而导致在基于热性能的筛选中对金属有机框架材料的排序出现错误。我们还发现，若使用包含虚假虚数声子模式的密度泛函理论数据来测试机器学习原子间势能模型，可能会误导那些能够准确预测结构稳定金属有机框架材料真实声子谱的模型。最后，我们提出了一种简单高效的后期处理方法，该方法可应用于常规的声子计算，从而有效修正热容值估算结果，并处理金属有机框架材料中的虚假虚数声子模式。