二维过渡金属二硫化物（TMDs）一般具有多种相，如2H、1T和1T’相，不同相的结构、稳定性与性质各不相同，应用场景也不尽相同。TMDs不同相之间的相变问题一直是材料学、物理学等领域的一个研究热点和难点。在所有相变策略中，栅压调控相变因为对材料本身无损伤而引人注目，实验上也广泛使用。这种调控方法类似于电池的充放电过程，当充电时，材料的物性就会改变；不同程度的电量，材料的物性都不一样。理论上，栅压调控相变策略是在恒定电压或电势条件实现，为了更好地符合实验实际的理论模拟也应该基于恒定电势条件。然而，这种恒定电势条件的模拟用通常的密度泛函理论（DFT）无法实现，之前的研究主要是通过往研究体系中加入恒定的电荷来模拟（固定电荷法），而不是恒定电势的模拟。这种固定电荷法无法直接提供电势诱导TMDs相变过程的电荷转移与电子结构演变图像，甚至在一些研究体系中会给出错误的结果。

基于此，西安交通大学高国平副教授和张胜利教授等人中采用自主开发的基于巨正则密度泛函理论的固定电势法来解决恒电势相变模拟问题，并以MoTe2为例来研究电势诱导相变的物理机制，加深了对电势诱导半导体-金属/半金属相变机理的理解，能够给实验研究者提供真实相变过程中晶体结构、电荷和能量演变图像。恒电势方法已经在PWmat软件中实现，该方法通过固定费米能级的自洽场密度泛函理论计算得到轨道占据数，从而在自洽迭代的过程中调整体系的带电量。直接巨正则计算以及有效的实施溶剂模型（包括线性泊松-玻尔兹曼方程）可以使恒电势计算快速进行。另外可以使用Hellman-Feynman力来指导分子动力学、原子弛豫和NEB计算。对于一个给定的电势，与固定电荷方法相比，恒电势方法的计算成本仅高出约50%。为了让大家能方便快速使用恒电势方法，PWmat的在线可视化提交模块Q-Flow（模块介绍）已经实现了该方法，通过拖拽组件的方式即可完成恒电势计算。同时针对恒电势方法提供了教学视频。

教学视频：

图1 电势驱动的相变机制以及相变路径分析

要点1：在恒定电势下，因为半导体相和金属相的电子结构差别，注入金属相的电子浓度会远多于半导体相的电子浓度，同时注入金属相中的电子相对于半导体相会占据更低的电子态，这些电荷转移趋势会导致金属相的能量更低，也更稳定。

图2 电势调控2H-1T’相变过程中的电荷转移以及势垒演化

要点2：在电势调控相变研究中，采用了改进的巨正则NEB方法，能够准确得到相变过程中各中间态的结构、电荷和能量演变图像。例如，在2H-1T’相变过程中，注入电子会逐渐增加有利于加速打破2H相的成键成为活跃的过渡态，然后注入电子会减少促进1T’相的形成。这些物理图像以往的固定电荷法无法得到，可以从这些物理图像中更准确地得到电势诱导相变的物理机制。此外，通过研究不同电势下MoTe2各相的热力学能量变化以及其动力学势垒演化，发现其相对相变电压在2.5V左右，与实验得到的2.8V吻合得很好。

总结

这项工作将给电势诱导相变问题提供一些新颖深刻的见解，并为其他恒电压/恒电势问题提供一种新的研究方法和研究思路。

文献链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/epdf/10.1002/adfm.202208736

该工作得到了龙讯旷腾公司的MCloud的计算资源的支撑。