吉大-哈工大-苏州实验室Nat. Commun.：八面体基元引导的可解释机器学习加速发现新型光电半导体

▲第一作者：Xiaoyu Yang（杨晓雨），Wenyue Zhao（赵文悦）

通讯作者：Yuanhui Sun（孙远慧），Yu Zhao（赵瑜），Lijun Zhang（张立军）

通讯单位：苏州国家实验室，哈尔滨工业大学物理学院，吉林大学材料科学与工程学院。

论文DOI：10.1038/s41467-026-75216-0（点击文末「阅读原文」，直达链接）

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近日，吉林大学张立军、哈尔滨工业大学赵瑜、苏州实验室孙远慧团队合作，构建了一套以局域八面体基元为核心、融合可解释机器学习与高通量第一性原理计算的材料发现框架（图1）。该框架从2442种未报道候选材料中筛选出19种具有优良光电性质的热力学稳定半导体，并成功合成Ca₂GaCoO₅，实验验证了其强可见光光响应。相关成果以“Octahedral-motif-guided design of optoelectronic semiconductors via interpretable machine learning”为题，发表于Nature Communications 17, 8314 (2026)（《自然·通讯》）。

背景介绍

光电半导体是太阳能转换、光电探测和发光器件等现代光电子技术的重要材料基础。其中，以BX₆八面体为基本结构单元的化合物构成了一类重要的光电材料体系，卤化物钙钛矿即为典型代表。八面体不仅是构筑晶体结构的基本单元，也是连接局域化学环境与宏观光电性质的关键结构层级：其元素组成和成键特征决定带边电子态的轨道构成，结构畸变与连接方式则影响轨道耦合和载流子输运。因此，八面体局域环境的变化能够协同调控材料的带隙、载流子有效质量和光吸收等关键性质，为理解和设计光电半导体提供了重要的结构化学基础。

研究出发点

然而，现有八面体材料的稳定性认识仍主要建立在特定钙钛矿结构原型之上。传统的容忍因子、八面体因子等经验判据虽然适用于部分钙钛矿体系，但难以描述氧化物、卤化物、硫族化合物和尖晶石等在化学组成、局域成键及八面体连接方式上高度多样的材料。与此同时，现有机器学习模型多依赖元素组成、全局晶体特征或高维通用局域环境表示，尽管具有较强的预测能力，却往往难以揭示具有明确物理化学意义的“结构基元—热力学稳定性—光电性质”内在联系。这使得模型学习到的规律难以直接转化为可理解、可迁移的材料设计原则。因此，如何将介于原子与整体晶体之间的局域八面体基元转化为可量化、可学习且具有明确物理意义的材料描述符，并由此提取能够跨越不同结构原型的稳定性规律，是实现新型光电半导体理性设计与高效发现的关键问题。

图文解析

图1：数据驱动的八面体基元引导光电材料发现框架。（a）数据集构建、可解释机器学习模型构建和光电材料筛选三步流程。（b）代表性八面体构筑单元及其连接方式。

在该工作中，研究团队首先从无机晶体结构数据库（ICSD）中筛选出3362种含八面体基元的晶体结构，覆盖110个空间群，以及共角、共边、共面和混合连接等多种八面体连接方式。该数据集不仅包含传统钙钛矿，还涵盖氧化物、卤化物和硫族化合物等多个材料家族。在此基础上，研究团队构建了层级化特征表示体系（图2），涵盖元素层特征（原子半径、电负性、电子亲和能和价电子结构等）、八面体基元层特征（容忍因子、八面体因子、局域畸变和八面体连接方式等）以及晶体层特征（密度、堆积率、空间群、晶胞性质和库仑相互作用等），共得到664个初始候选特征。经过多阶段特征选择与代数组合，并结合递归特征消除，最终获得由34个特征组成的紧凑特征集，用于形成能预测和符号回归分析。

图2：机器学习特征工程与八面体相关描述符。（a）由特征构建、迭代特征选择和代数组合构成的特征工程流程。（b）两个重要的八面体相关描述符。

特征重要性分析表明，局域八面体基元描述符对形成能预测的贡献显著高于全局晶体特征，说明在所研究的含八面体材料空间中，热力学稳定性主要受局域八面体化学因素支配。其中，最重要的描述符为χ_B/R_B^C−6×χ_X/R_X^C。式中， χ和R^C分别表示电负性和共价半径。该描述符贡献了总特征重要性的29%，刻画了八面体中心原子与六个配位原子在共价长度尺度上的电子吸引能力平衡。另一类重要描述符为局域差异（LD）描述符，用于表征八面体中心原子与配位原子在电负性、价电子构型和轨道占据等方面的化学差异。总体而言，共价长度尺度上的电负性平衡与局域配位壳层的化学反差，是影响不同八面体材料热力学稳定性的关键因素。

研究团队以DFT计算的形成能为目标变量训练梯度提升回归树（GBRT）模型（图3）。基于3362种材料的十折交叉验证结果表明，模型的平均绝对误差为83 meV/atom，决定系数R²达到0.97。随后，研究团队以已知八面体晶体结构为母体，对八面体中心原子和配位原子进行同主族、相邻周期的化学替换，在保持局域结构基元和电荷平衡的前提下生成新材料（图4）。排除ICSD、OQMD和Materials Project中已有的化合物后，共获得2442种未报道候选材料。研究团队进一步采用逐级筛选流程：利用机器学习模型预测候选材料相对于母体材料的形成能变化，并以室温热能尺度ΔE_f≤25 meV/atom为参考阈值，保留691种候选材料；经DFT凸包稳定性计算，筛选出180种ΔE_hull≤0 eV/atom的热力学稳定材料，其中129种具有非零带隙；再依据约化载流子有效质量和带边积分光吸收强度，最终确定19种优先级最高的光电半导体。

图3 ：机器学习评估结果与特征分析。（a）十折交叉验证结果。（b）特征重要性排名前10的描述符。（c）最重要八面体描述符与DFT形成能的相关性。（d）符号回归计算形成能与DFT形成能的对比。

图4：机器学习加速的稳定材料筛选流程。（a）2442种候选材料的化学多样性。（b）2442种候选材料的ΔE_f分布，其中691种满足ΔE_f≤25 meV/atom。（c）691种候选材料的机器学习预测形成能与DFT计算形成能对比。（d）691种候选材料的ΔE_hull与DFT形成能关系，其中180种满足ΔE_hull≤0 eV/atom。

在最终获得的19种候选材料中（图5），带隙范围为0.03–5.48 eV，多数分布在约1–3 eV；12种材料的约化有效质量低于0.6 m₀，其中8种低于0.5 m₀；所有候选材料均表现出陡峭的带边吸收起始。其中，CoSbO在2 eV处的吸收系数已超过5×10⁵ cm⁻¹；Pt₂NaS₃在可见光范围内的吸收强度高于典型钙钛矿吸光材料MAPbI₃；Ca₂GaCoO₅在带边附近的吸收系数达到约10⁵ cm⁻¹。研究团队还对19种材料进行了声子计算，其中Ca₂GaCoO₅、Ag₂Rb₄SbBr₉、CoSbO、O₂InNa₃、Ge₃Tl₂ZrO₉和ZnRb₂Bi₂S₅在谐近似下不存在虚频，表现出良好的动力学稳定性。

图5：所发现光电半导体的光电性质和晶体结构。（a）129种具有非零带隙的新材料的约化有效质量μ和近带边吸收积分I_α(E) ，其中标出了19种满足光电筛选标准的候选材料。（b）19种候选材料的电子和空穴有效质量。（c）19种候选材料及MAPbI₃的光学吸收光谱。（d）19种候选材料的化学式和晶体结构，括号内标示其八面体组成。

进一步的晶体轨道哈密顿布居（COHP）分析表明，候选材料的光电活性并非由晶体中所有化学键均匀贡献，而是主要集中于特定的八面体中心原子—配位原子成键与反键通道。在代表性高性能候选材料中，带边电子态通常集中分布于连续且具有化学活性的八面体网络。此类扩展的局域成键网络有利于形成较强的轨道杂化，并兼顾较小的载流子有效质量与较强、宽频的光吸收。相比之下，在包含多种结构基元的材料中，带边电荷可能分布于不同多面体，从而使小有效质量与强光吸收发生解耦。

最后，研究团队选取理论预测具有直接带隙、较强光吸收和动力学稳定性的Ca₂GaCoO₅作为实验验证对象（图6），并以四种不同的钴前驱体均成功合成了该材料。实验结果表明，Ca₂GaCoO₅结晶于正交Pnma空间群，实验晶格参数与DFT优化结果的偏差均低于2%。高分辨透射电子显微镜和选区电子衍射进一步验证了其晶体结构；扫描电子显微镜显示样品具有致密的烧结形貌，平均晶粒尺寸约为2.09 μm，且未观察到明显杂相。紫外—可见吸收测试得到Ca₂GaCoO₅的实验光学带隙约为1.6 eV。在0.1 V偏压下，Ca₂GaCoO₅在520 nm和630 nm光照下均表现出明显、可逆且具有波长依赖性的光电流响应；关闭光源后，电流稳定恢复至初始基线，表明该材料可在可见光范围内有效产生光生载流子。

图6：Ca₂GaCoO₅的实验验证结果。（a）Ca₂GaCoO₅的实验与模拟XRD图谱。（b）HRTEM图像（比例尺=2 nm）及SAED图案（插图，比例尺=2 nm⁻¹），以及SEM图像（比例尺=5 μm）和晶粒尺寸分布（插图）。（c）合成Ca₂GaCoO₅的(αhν)²随hν的变化，插图为吸收光谱。（d）0.1 V偏压下不同波长光照产生的光电响应。

总结与展望

该工作建立了一个以结构基元为中心、具有明确物理意义的机器学习框架，用于发现以八面体配位为主的光电半导体。通过构建显式编码局域八面体化学性质和配位差异的描述符，该模型将经验性的结构—性质认知与数据驱动预测相结合，并提取出具有迁移潜力的稳定性规则。在这些基元层面稳定性规律的指导下，研究团队系统探索了尚未被现有数据库覆盖的含八面体化学空间，鉴定出一系列具有良好光电性能的热力学稳定化合物。Ca₂GaCoO₅的实验合成与光电性能验证进一步证实了该方法的实际可行性。该基元导向框架不仅可作为材料发现工具，还有助于系统组织含八面体候选材料并确定其实验研究优先级。

作者介绍

吉林大学材料科学与工程学院博士生杨晓雨、哈尔滨工业大学博士后赵文悦为共同第一作者。吉林大学张立军教授、哈尔滨工业大学赵瑜教授、苏州实验室孙远慧研究员为共同通讯作者。该工作得到了国家自然科学基金委员会青年科学基金A类项目和创新研究群体A类项目、吉林省长白山实验室科技创新项目、江苏省基础研究计划以及吉林大学研究生创新项目的支持。

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