Ti₃C₂(OH)₂的抗氧化性和结构稳定性不佳极大地限制了其实际应用推广。本工作通过第一性原理计算方法, 对比研究了Ti₃C₂(OH)₂、聚苯胺(PANI)和PANI/Ti₃C₂(OH)₂复合材料的表面氧吸附行为。计算结果表明, Ti₃C₂基体上-OH官能团改变了活性吸附位点, 并一定程度上改善了Ti₃C₂基体的抗氧化性和结构稳定性。Ti₃C₂(OH)₂与PANI复合后, 表面PANI的氧吸附活性较高, 而Ti₃C₂(OH)₂的氧吸附能大幅度降低。经Bader电荷计算发现, 复合后从PANI端到Ti₃C₂(OH)₂发生了电子转移, 从而保护了后者。因此, PANI改性Ti₃C₂(OH)₂复合材料可以通过牺牲表面PANI来保护Ti₃C₂(OH)₂基体, 进而提高其结构稳定性和抗氧化性能。本工作对于提高MXene体系抗氧化性能、结构和电化学稳定性具有一定的理论指导意义。

钠离子电池是一种经济且环境可持续的储能电池。其中, β-NaMnO₂作为前景广阔的钠离子正极材料, 是一种具有波纹形层状结构的锰基氧化物, 因其结构坚固和比容量相对较高而备受关注。然而, β-NaMnO₂存在循环寿命短、倍率性能不佳的问题。为了解决这些问题, 本研究通过第一性原理计算和晶体轨道哈密顿布局(COHP)分析, 在β-NaMnO₂中掺入了可以提高材料结构稳定性的Ti原子和有利于钠离子脱出的Cu原子。β-NaMn_0.8Ti_0.1Cu_0.1O₂的可逆比容量显著增长, 并且具有卓越的倍率性能。在0.2C电流密度(1C=219 mA·g^-1)、1.8~4.0 V电压范围内, 改性材料的初始放电比容量为132 mAh·g^-1。分别在0.2C、0.5C、1C、3C和0.2C的电流密度下进行充放电测试后, 该材料仍能保持110 mAh·g^-1的比容量。掺入Ti减缓了晶体结构的变化, 晶格常数c/a在脱钠过程中仅有微小变化。Mn和Cu分别在3.0 V以下和3.5 V左右发生可逆氧化还原反应, 在放电曲线中, 3.0 V以下的长平台表明Mn是电池容量的主要贡献者。本工作深入研究了改性β-NaMnO₂正极材料的工作机理, 为提高钠离子电池的性能提供了实验依据和理论指导。

目前铂(Pt)基贵金属催化剂(PGMs)是应用最广泛的商业催化剂, 但存在成本高、储量低、易引发小分子中毒的问题, 过渡金属氧化物(TMOs)因在氧化环境中具有较好的稳定性和出色的催化性能而被视为PGMs的潜在替代品。本研究通过密度泛函理论(DFT)计算, 全面分析了弹性应变对TMOs表面上碳(C)、氢(H)和氧(O)吸附能的影响。系统探究了这些影响在四方结构(PtO₂、PdO₂)和六方结构(ZnO、CdO)中的作用, 以及它们与各自过渡金属的关系。结果显示, 在金属氧化物表面上, 最有利的吸附位点主要位于氧原子顶部或金属原子顶部, 而过渡金属则更倾向于面心立方(FCC)和六方密排(HCP)的空位。此外, 在弹性应变的影响下, 虽然TMOs和过渡金属对H和O的吸附能存在很大差异, 但弹性应变对TMOs上C、H和O吸附能的影响与过渡金属类似: 在压缩应变下吸附能增加、吸附减弱, 而在拉伸应变下吸附能减小、吸附增强。这种现象可以用基于吸附发生在金属原子顶部时的d带模型或吸附发生在O原子顶部时的p带模型来合理解释。因此, 调控弹性应变也可用于改变TMOs的催化特性。

生物陶瓷以其优异的生物活性和可降解性在骨缺损修复领域受到广泛关注。然而, 如何使生物陶瓷降解速率与新骨生成速率相匹配仍然存在挑战, 因此需要更深入地了解生物陶瓷的降解特性。本研究采用密度泛函理论(DFT)计算并探索硅酸盐生物陶瓷的电子结构。研究结果表明硅酸盐生物陶瓷价带顶电荷密度的最大值(VBM_Fmax)与其降解性之间存在线性相关性, 随后的降解实验验证了这种相关性。此外, 对磷酸盐生物陶瓷的研究也证实了该描述符可用于预测不同生物陶瓷的降解性。这一发现有助于更好地理解生物陶瓷的降解机制, 并有望加速可控降解生物陶瓷的设计和开发。

Hf_xTa_1-xC具有高熔化温度、高硬度、高强度, 以及导电、导热性好等优异性能, 是2000 ℃以上热防护领域极有潜力的候选材料, 但其力学性质与熔化温度随组分变化规律尚不清晰。本研究基于特殊准随机结构(SQS)方法和第一性原理计算, 从共价键强度、价电子浓度(VEC)的微观角度系统地探讨了Hf_xTa_1-xC系固溶体力学性质随组分的变化机理。力学性质计算结果表明: 5种组分(HfC、Hf_0.75Ta_0.25C、Hf_0.5Ta_0.5C、Hf_0.25Ta_0.75C与TaC)中, Hf_0.25Ta_0.75C固溶体具有最高的弹性模量和剪切模量, 这主要归因于: (1)该组分具有最高的共价键强度; (2)来自C的p轨道和来自Hf或Ta的d轨道之间的特殊键合在VEC=8.75(Hf_0.25Ta_0.75C)附近被完全填充, 它们强烈抑制形状变化。研究还使用基于从头算分子动力学(AIMD)的分子动力学Z方法计算了Hf_xTa_1-xC系固溶体的熔化曲线。结果显示Hf_xTa_1-xC系固溶体熔化温度反常增加的现象的确存在, 且在Hf_0.5Ta_0.5C处熔化温度最高(4270 K), 这主要归因于构型熵与共价键强度的协同作用。本研究结果为高熔化温度及高力学性能Hf_xTa_1-xC系固溶体组分的实验选择及其耐高温涂层应用等提供了理论指导, 也为其他过渡金属碳化物研究提供了参考。

将CO₂高效转化为有价值的化学品(如CO和HCOOH等)是缓解环境问题、实现碳中和的重要措施。然而CO₂还原反应(CO₂RR)有着产物多样和路径复杂的特点, 再加上目前难以确定影响CO₂RR活性的真正因素, 使得设计对特定产物有高选择性和高活性的催化剂十分具有挑战性。本研究从第一性原理出发, 系统研究了3d过渡金属单原子掺杂石墨烯单个空位(TM@C_SV)和双空位(TM@C_DV)电催化还原CO₂的潜力, 具体涵盖基底的稳定性、中间产物热力学吸附以及与之竞争的析氢反应(HER)。通过对Sc, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu和Zn掺杂石墨烯缺陷后形成的20种催化剂进行筛选, 发现Sc原子掺杂石墨烯单个空位的Sc@C_SV和Sc、Ti原子掺杂石墨烯双空位的Sc@C_DV和Ti@C_DV同时具备吸附CO₂分子和抑制HER的能力。其中Sc@C_DV对HCOOH表现出最佳的活性和选择性, 速率决定步骤的吉布斯自由能差仅为0.96 eV。最后, 通过电子结构分析进一步揭示了Sc@C_DV优于其他催化剂的原因是Sc@C_DV调整了费米能级附近的活性电子态, 从而实现对CO₂的高效还原。

工业界普遍采用Haber-Bosch方法在高温(400~600 ℃)和高压(150~300 atm, 1 atm= 0.101325 MPa)条件下催化氮气裂解和加氢而合成氨气(NH₃), 这不仅消耗大量能源, 也给环境造成很大污染。为改变这种状况, 探索常温常压条件下合成NH₃的全新途径已成为研究热点。电催化还原N₂合成NH₃是尚待探索的重点方向之一。本研究利用密度泛函理论计算, 探讨了过渡金属元素(如Fe, Nb, Mo, W, Ru)和非金属元素(如B, P, S)共掺杂石墨烯作为该方向催化剂的可行性。结果表明, Mo和S(Mo/S)共掺杂石墨烯在NH₃合成中具有极低的电极电势(仅为0.47 V), 其速率控制步骤涉及的中间产物为*NNH。NH₃合成电势比析氢反应的电势(0.51 V)低, 说明N₂还原制备NH₃具有选择性。经从头算的分子动力学计算验证, Mo/S共掺杂石墨烯体系在室温下具有良好的热力学稳定性。电子结构分析进一步揭示, 过渡金属电子转移能力对高效N₂电催化还原活性具有关键影响, 可通过调控非金属元素对过渡金属周边配位环境的影响, 优化过渡金属中心的电子结构, 从而提高催化性能。

活性炭以其丰富的孔道结构和高比表面积而在吸附苯乙烯废气上具有巨大的应用潜力, 然而含氧官能团对弱极性苯乙烯的吸附作用机理尚未明晰。本研究通过酸浸渍法制备改性活性炭AC-S和AC-N, 探究改性活性炭孔径结构、比表面积和含氧官能团的演变规律及其对苯乙烯吸附性能的影响。结果表明, 酸改性可以明显提高活性炭对苯乙烯的吸附量。通过吸附动力学、吸附等温拟合发现, 活性炭改性前后均受物理吸附与化学吸附的复合作用影响, 改性后活性炭更倾向于单层吸附。HNO₃改性活性炭(AC-N)的孔隙结构在苯乙烯有效吸附孔径范围内没有显著改变, 表面含氧官能团含量增加提高了AC-N对苯乙烯的吸附性能。表面含氧官能团分析表明, 内酯基是提高改性活性炭对苯乙烯吸附量的关键因素。密度泛函理论(DFT)计算表明, AC-N上的内酯基官能团与苯乙烯的乙烯基产生强相互作用, 增强了苯乙烯在改性活性炭上的吸附。

目前, 人工智能在人类社会发挥着越来越重要的作用, 以深度学习为代表的人工智能算法对硬件算力的要求也越来越高。然而随着摩尔定律逼近极限, 传统冯·诺依曼计算架构越来越难以满足硬件算力提升的迫切需求。受人脑启发的新型神经形态计算采用数据处理与存储一体架构, 有望为开发低能耗、高算力的新型人工智能技术提供重要的硬件基础。人工神经元和人工突触作为神经形态计算系统的核心组成部分, 是当前研究的前沿和热点。本文聚焦氧化物人工神经元, 从神经元数学模型出发, 重点介绍了基于氧化物电子器件的霍奇金-赫胥黎神经元、泄漏-累积-发射神经元和振荡神经元的最新研究进展, 系统分析了器件结构、工作机制对神经元功能模拟的影响规律。进一步, 根据不同尖峰发射动态行为, 阐述了基于氧化物神经元硬件的脉冲神经网络和振荡神经网络的研究进展。最后, 讨论了氧化物神经元在器件、阵列、神经网络等层面面临的挑战, 并展望了其在神经形态计算等领域的发展前景。

异质外延为金刚石晶圆合成提供了一个有效的实现路径, 而Ir衬底上金刚石形核生长技术经过20多年的发展已经有能力制备最大直径为3.5英寸的晶体, 开启了金刚石作为终极半导体在电子信息产业应用的大门。然而,表面形核、偏压技术窗口、金刚石外延生长等一系列发生在异质衬底上的问题都需要从生长热力学的角度给予解释。本研究针对化学气相沉积气氛中金刚石如何实现外延形核与生长这一关键问题, 利用第一性原理计算从原子尺度对金刚石形核生长过程展开了系列探究。研究结果如下: C原子在Ir衬底表面位点吸附比在体相位点吸附更稳定, 表明无偏压条件下金刚石形核只能在衬底表面发生; 离子轰击作用下非晶氢化碳层中sp³杂化C原子个数随着离子动能的增加呈现先增大后减小的变化规律, 证实了金刚石高密度形核存在一定的离子动能与偏压大小窗口; 金刚石沿着Ir衬底外延生长时界面结合能最低(约为-0.58 eV/C), 意味着界面结合能是决定外延形核生长的主要热力学因素。本研究阐明了偏压辅助离子轰击促进金刚石单晶外延生长的热力学机制, 对于指导金刚石及其他碳基半导体生长具有重要意义。

3 μm波段中红外激光处于大气传输窗口, 又可以作为基础光源, 是激光技术研究的前沿。目前, 铒离子激活的激光晶体材料是产生3 μm中红外激光的重要途径之一。然而, Er³⁺离子⁴I_11/2激光上能级荧光寿命较短, 下能级⁴I_13/2的寿命较长, 难以实现粒子数反转, 导致自终止现象。为了解决这一难题, 往往需要高浓度掺杂, 通过能量传递降低⁴I_13/2能级的寿命。然而高浓度掺杂又会造成晶体热性能变差, 限制了掺Er³⁺激光晶体效率和功率。三阶铒离子容易在氟化物晶体中形成团簇, 导致稀土离子间距缩短, 即使在低掺杂浓度下稀土离子之间的能量传递作用仍较为显著。同时, 低浓度掺杂还可以减轻激光运转下晶体的热堆积效应。掺铒氟化物晶体已成为一类重要的高功率、高效率中红外激光材料。然而, 掺铒氟化物晶体的光谱性能与铒离子团簇结构之间的相互联系尚不明确, 制约了掺铒氟化物晶体光谱和激光性能的进一步发展。本文采用第一性原理计算模拟了铒离子在CaF₂、SrF₂和PbF₂晶体中的团簇结构。结果显示, 铒离子团簇结构随基质晶体变化逐渐演变。结合模拟计算和实验表征定性揭示了不同晶体离子团簇与光谱性能的联系, 为掺铒氟化物中红外激光晶体材料的调控与设计提供参考。

Zr₂SB、Hf₂SB、Zr₂SeB、Hf₂SeB、Hf₂TeB都是近期发现的硫族MAX相硼化物, 与典型MAX相相比，具有明显不同的性质, 因此备受人们关注。本文采用第一性原理并结合“线性优化法”、键刚度模型和准简谐近似研究了MAX相硼化物(M = Zr, Hf; A = S, Se, Te)的物相稳定性、力学性能和热性能。理论分析结果与目前可用的实验结果一致。经热力学和本征稳定性分析后发现, 只有M₂AB可以稳定存在。较短的M−A键与M−B键长使Hf系化合物的键刚度高于Zr系化合物, 这也同样导致Hf系化合物的硬度高于Zr系。随着A元素由S到Se再到Te, M−B与M−A键长逐渐增加, 键刚度减小导致弹性模量降低。而且, 这些化合物的体积模量取决于其平均化学键刚度。更加重要的是, 最弱键和最强键的刚度比(k_min/k_max)较高，显示这些MAX相硼化物不同于传统MAX相, 均呈本征脆性。考虑晶格振动(声子)和电子激发的贡献后计算得到M₂AB等压热容及热膨胀系数(TEC), 均在300 K以下随温度升高先快速上升后上升速率逐渐降低, 这与其它MAX相类似。较低的键刚度导致Zr系MAX相硼化物的平均线热膨胀系数整体上高于Hf系, 而且在300~1300 K区间与大部分MAX和MAB相一致。

在轨高真空环境下, 航天器所用非金属材料会释放出碳氢类、硅氧烷等有机分子污染物, 沉积在航天器光学系统等敏感表面, 影响航天器性能和使用寿命。沸石分子吸附涂层可以实时吸附空间污染物, 但对其吸附作用机制还缺乏深入研究。为深入分析空间污染物分子在沸石内部的吸附机制, 本工作采用巨正则蒙特卡洛方法模拟计算了NaY沸石对三种典型空间污染物(甲苯(C₇H₈)、邻苯二甲酸二甲酯(C₁₀H₁₀O₄)和八甲基环四硅氧烷(C₈H₂₄O₄Si₄))的吸附行为(吸附等温线、吸附热曲线和粒子密度分布图)。模拟和实验数据的对比分析验证了计算模型和方法的合理性。在超高真空条件下, NaY沸石对空间污染物表现出较高的吸附量, 但其饱和吸附量随着分子尺寸的增加而降低(C₇H₈>C₁₀H₁₀O₄>C₈H₂₄O₄Si₄), 其中八甲基环四硅氧烷分子的饱和吸附量仅为8个分子, 远低于甲苯的36个分子。污染物分子在沸石内部的密度分布图显示, 三种污染物均优先吸附于NaY沸石的“超笼”位点。本研究系统分析了NaY沸石对典型污染物的吸附机制, 为高吸附性能的沸石分子筛吸附涂层的研发提供了理论指导。

材料数据由于小样本、高维度、噪音大等特性, 用于机器学习建模时常常会产生与领域专家认知不一致的结果。面向机器学习全流程, 开发材料领域知识嵌入的机器学习模型是解决这一问题的有效途径。材料数据的准确性直接影响了数据驱动的材料性能预测的可靠性。本研究针对机器学习应用过程中的数据预处理阶段, 提出了融合材料领域知识的数据准确性检测方法。该方法首先结合材料专家认知构建了材料领域知识库。然后, 将其与数据驱动的数据准确性检测方法结合, 从数据和领域知识两个角度对材料数据集进行基于描述符取值规则的单维度数据正确性检测、基于描述符相关性规则的多维度数据相关性检测以及基于多维相似样本识别策略的全维度数据可靠性检测。对于每一阶段识别出的异常数据, 结合材料领域知识进行修正, 并将领域知识融入到数据准确性检测方法的全过程以确保数据集从初始阶段就具有较高准确性。最后该方法在NASICON型固态电解质激活能预测数据集上的实验结果表明: 本研究提出的方法可以有效识别异常数据并进行合理修正。与原始数据集相比, 基于修正数据集的6种机器学习模型的预测精度都有不同程度的提升。其中, 在最优模型上R²提升了33%。

在卤族钙钛矿材料的缺陷研究中, 密度泛函理论计算发挥着重要作用。传统的半局域泛函(如PBE)虽然能够得到与实验接近的禁带宽度, 但是已有研究表明其不能准确描述材料的带边位置。采用更准确的杂化泛函, 结合自旋轨道耦合(SOC)效应与充分的结构优化开展缺陷研究十分必要。可以选择两种杂化泛函, 即屏蔽的杂化泛函HSE和非屏蔽的杂化泛函PBE0。本研究以正交相CsPbI₃为例, 系统比较了两种方法在缺陷性质计算上的差异。计算结果表明, 对于体相性质, 两种杂化泛函并无明显的差别。但是, 对于缺陷性质, 两种泛函出现定性的差别。HSE计算中预测的浅能级缺陷, 在PBE0计算中大部分变为深能级缺陷, 且缺陷转变能级和Kohn-Sham能级均出现定性差别。上述差别的本质在于, Hartree-Fock交换势具有长程作用特征, 因而普通的杂化泛函如PBE0在计算量允许的超胞尺寸上无法得到收敛的结果, 而HSE对上述交换势具有屏蔽作用, 可采用相对小尺寸的超胞得到收敛的缺陷能级。本研究结果表明, 尽管HSE杂化泛函需要较大的Hartree-Fock混合参数(约0.43), 其仍是准确计算卤族钙钛矿缺陷性质的有效方法。

MAX/MAB相是一类非范德华三元层状材料, 具有丰富的元素组成和晶体结构, 兼具陶瓷和金属的物理性质, 在高温、强腐蚀、辐照等极端环境中极具应用潜力。近年来, 由MAX/MAB相衍生的二维(2D)材料(MXene和MBene)在材料物理与材料化学领域引起了广泛兴趣, 已经成为继石墨烯和过渡金属硫族化合物之后最受关注的二维范德华材料。MAX/MAB相材料结构调控不仅对这类非范德华层状材料本征性能产生重要影响, 而且对其衍生的二维范德华材料结构功能特性研究也具有重要价值。本文归纳和总结了MAX/MAB相层状材料在结构调控、理论计算和应用基础研究等方向的最新科研进展, 并展望了该类层状材料未来发展方向。

作为实现全固态激光器频率转换功能的关键材料, 紫外非线性光学晶体发挥着不可替代的作用。设计兼具大的非线性光学系数、合适的双折射和宽带隙的紫外非线性光学晶体仍然是该领域亟待攻克的一个难题。由于具有宽的带隙, 硫酸盐已成为紫外非线性光学晶体领域的一个重要研究方向。SO₄四面体基团具有接近非极性的Td对称性, 使其极化率各向异性和二阶极化率较小, 因而对晶体的非线性系数和双折射贡献很小。通常引入畸变程度高的阳离子多面体可以增加晶体的非线性效应和双折射。本工作将易于形成畸变多面体的Hg²⁺离子引入到硫酸盐体系中, 采用高温熔体法合成出新型非线性光学晶体材料Rb₃Hg₂(SO₄)₃Cl。该晶体属于单斜晶系, 空间群为P2₁, 晶胞参数为a=0.78653(2) nm, b=0.97901(2) nm, c=1.00104(3) nm, β=110.95(3), Z=2。其晶体结构由[SO₄]四面体、[HgO₅]和[HgO₄Cl]多面体以角共享的方式连接形成空间网状结构, 而Rb⁺填充在孔洞中。Rb₃Hg₂(SO₄)₃Cl晶体的粉末倍频效应为1.5倍KDP, 且能够在可见光区实现相位匹配。紫外漫反射光谱测试表明, 紫外截止边为251 nm, 对应光学带隙为4.94 eV。利用偏光显微镜确定该晶体在546.1 nm处的双折射为0.04。此外, 第一性原理计算表明, 晶体的非线性系数主要来源于扭曲的[HgO₅]、[HgO₄Cl]和[SO₄]多面体。上述结果表明, Rb₃Hg₂(SO₄)₃Cl是具有潜在应用前景的紫外非线性光学晶体材料。

宽禁带γ-CuI是一种具有优异光电和热电性能的p型透明半导体材料, 近年来受到广泛关注。但作为一种新兴材料, 其发光性能受材料缺陷影响的物理机理尚不清楚。本工作通过气相反应法制备了Cl掺杂的CuI薄膜, 采用电镜表征方法研究Cl掺杂对多晶CuI薄膜表面形貌和阴极荧光发光特性的影响, 并结合第一性原理计算探究了Cl在CuI薄膜中的主要存在形式, 以揭示Cl掺杂CuI薄膜结构与发光性能的联系。研究结果表明, 原本晶粒饱满但晶界显著的CuI薄膜掺杂Cl后呈现出致密平整的表面, 表明Cl掺杂剂改变了CuI的表面结构。相比未掺杂区域, Cl掺杂区410 nm处的荧光信号明显得到双倍增强, 而在720 nm附近的缺陷峰则略有降低, 说明Cl掺杂极大改善了CuI薄膜的发光性能。通过第一性原理计算对该现象进行理论分析, 发现引入Cl元素有效抑制了CuI中碘空位等深能级缺陷的产生, 降低了激子发生非辐射跃迁的概率, 从而改善CuI的发光性能, 这与阴极荧光的结果一致。本研究获得的掺杂CuI薄膜带边发光峰的半峰宽仅为7 nm, 表现出极高的发光单色性。这些发现有助于对卤素掺杂获得的高性能CuI基材料的理解。

高能粒子轰击不可避免地会造成SiC材料内部缺陷的产生、积累, 晶格紊乱等, 导致其物理性能的显著变化, 继而影响基于SiC材料的半导体器件使用寿命。因此, 有必要对SiC在不同的辐射环境下的损伤行为进行系统研究。本工作对6H-SiC中子辐照肿胀高温回复及光学特性开展研究, 辐照剂量范围5.74×10¹⁸~1.27×10²¹ n/cm², 退火温度在500~1650 ℃。利用X射线单晶衍射技术分析测试样品的晶体结构及晶胞参数, 结果表明: SiC仍为六方结构, 晶体未发生非晶化, 晶格肿胀及高温回复行为具有各向同性特征, 表明辐照缺陷以点缺陷为主。本征缺陷及辐照缺陷均可引入缺陷能级, 空位型缺陷是缺陷能级引入的主要因素。缺陷能级导致SiC吸收带边红移, 带隙宽度降低, 光吸收增强。利用吸收光谱、光致发光谱和拉曼光谱, 并结合第一性原理计算对缺陷能级分布开展研究, 结果表明硅空位在价带顶上方引入了新的缺陷能级, 而碳空位则是在导带底下方引入了新的缺陷能级。未辐照晶体在1382和1685 nm红外波段光吸收以及550 nm光发射主要源于本征碳空位及其相关缺陷构型; 辐照SiC晶体在415、440和470 nm处的发光主要源于辐照产生的硅空位及其相关缺陷构型。研究还利用电荷态和缺陷能级分布对SiC晶体发光机理行了讨论。

大尺寸晶体材料是半导体、激光、通讯等领域的基础原料, 大尺寸、高品质晶体材料的制备已成为制约相关行业发展的瓶颈。我国面临的“卡脖子”技术中大多与关键基础材料相关。大尺寸晶体材料制备理论与技术是我国新材料产业高质量发展的一个重要方面, 也是提升相应高技术产业的基础, 突破大尺寸晶体材料的制备理论和技术是获得高品质大尺寸晶体材料的关键。探究并准确理解大尺寸晶体生长机理需要借助原位表征技术和多尺度计算模拟方法。单一的原位表征和模拟技术只能探究特定时间和空间范围内的结晶信息, 为了准确反映结晶过程需要综合应用多种方法。本文综述了最新的多尺度晶体生长研究的原位表征方法、多尺度计算模拟技术以及机器学习方法, 为发展结晶理论和控制晶体品质提供重要的实验和理论依据, 并将为提升大尺寸晶体生长工艺的开发而服务。