迁移能垒：物理内涵、计算方法与多领域应用

说明：本文华算科技系统阐述迁移能垒的物理内涵、计算方法、多领域应用及经典案例，为材料设计与性能优化提供理论基石。

迁移能垒是原子/离子在材料中扩散时需克服的最小能量障碍，决定材料动力学性能。

迁移能垒指原子、分子或缺陷在材料内部从初始稳定位置迁移至相邻位置所需克服的最小能量峰值。在能量–反应坐标图中，它表现为两个能量极小值（初始态E_initial和终态E_col）之间的能量鞍点（E_migration）。

这一概念源于材料科学中的扩散理论，用于量化原子迁移的难易程度：能垒越高，迁移速率越低。 

值得注意的是，“迁移“在机器学习领域有不同含义，本文聚焦材料科学的物理迁移。

爬坡弹性带法（Nudged Elastic Band Method，简称NEB）是计算迁移能垒最常用和直观的方法之一。

NEB方法的基本原理是在反应物和生成物状态之间构建一系列连续的“映像点“(images)，通过这些点描绘出最小能量路径(MEP)。该方法通过弹性带模型模拟反应过程中原子间的相互作用，从而获得反应势能面。

DOI:10.1007/s40820-025-01691-7

NEB方法的实施步骤包括：首先确定迁移粒子迁移的起点和终点（两个稳定位点）；然后在两点之间插入一系列映像点；

通过计算和优化，找到连接两点能量最低的路径（即最小能量路径）；最后确定路径上的最高能量点与起点的能量差，即为迁移能垒。值得一提的是，NEB方法在计算迁移能垒时需要合理选择模拟参数，如时间步长、弹性碰撞系数等，以确保计算的准确性和效率。

在锂离子电池研发中，迁移能垒计算发挥着至关重要的作用。锂离子在电极材料中的迁移能垒直接决定了电池的充放电速率和倍率性能。

通过计算可以筛选与设计新型电极材料，在合成材料之前对成千上万种候选材料进行高通量计算筛选，优先选择那些本征扩散能力强（能垒低）的材料进行实验验证，缩短研发周期。

DOI:10.1126/sciadv.adt7502 

在固态电池研发中，迁移能垒计算尤为重要。固态电池是未来的重要方向，但其核心挑战是固态电解质中较低的离子电导率。

计算可以快速评估各类硫化物、氧化物、卤化物电解质的锂离子迁移能垒，预测其本征电导率，并揭示离子传导机制。此外，计算还可以分析电极与固态电解质界面的稳定性及界面处的离子扩散能垒，理解界面对离子传输的阻碍作用，并寻找改善方法。

在钛合金设计中，迁移能垒研究对于提高合金的高温蠕变抗力至关重要。研究表明，钛合金稳态蠕变过程蠕变激活能与合金的表观扩散激活能非常接近，说明原子的扩散与蠕变过程密切相关。

通过第一性原理方法计算钛合金中常见的杂质及合金原子的迁移能垒，可以指导合金设计，提高合金在高温下的性能稳定性。             

例如，在一项研究中，研究人员通过IGMH分析对比了TS-3S和TS-3R两个过渡态结构中SPA催化剂与底物之间的弱相互作用差异，发现TS-3S比TS-3R多出两个C-H…X作用且π-π堆积作用区域面积更大，这解释了为什么TS-3S的能垒较低。这类研究有助于理性设计高效不对称催化剂。            

在质子交换膜燃料电池研发中，质子迁移能垒是决定材料导电性能的关键因素。受生物系统启发（如细胞膜上的蛋白质通道），通过动态调节策略可以解决既要保证质子迁移的能垒足够低，又要能维持稳定、高速的质子传输通道的矛盾。

例如，通过将5-氟尿嘧啶（5-FU）作为“分子开关“封装到经过磺酸基功能化修饰的MOF-808孔道中，可以利用其酮–烯醇互变异构特性动态地重构材料内部的氢键网络，降低质子迁移能垒。

DOI:10.1002/anie.202512366

迁移能垒作为表征原子、离子或分子在材料中迁移难易程度的关键参数，对材料的动力学性能和功能特性具有决定性影响。从电池材料到合金设计，从质子导体制到半导体器件，对迁移能垒的深入理解和有效调控都是优化材料性能的核心途径。

通过持续深入的迁移能垒研究，将有望解决许多关键材料技术难题，如开发更快充的电池材料、更耐高温的合金材料、更高电导率的电解质材料以及更稳定的半导体器件，为未来科技进步和产业发展提供坚实基础。

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