[發(fā)明專利]一種計算過渡金屬氧化物能帶結(jié)構(gòu)的方法

在審

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• 申請日: 2016-12-20
• 公開（公告）號: CN106777988A
• 公開（公告）日: 2017-05-31
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 王前進;譚秋紅;劉應(yīng)開
• 申請（專利權(quán)）人: 云南師范大學
• 主分類號: G06F19/00
• 分類號: G06F19/00
• 代理公司: 云南派特律師事務(wù)所53110
• 代理人: 葉健

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及材料電子結(jié)構(gòu)的計算模擬技術(shù)，特別涉及一種計算過渡金屬氧化物能帶結(jié)構(gòu)的方法。

背景技術(shù)

以ZnO為代表的過渡金屬氧化物由于在光學、電學、磁學等方面表現(xiàn)出優(yōu)異的性能而受到人們的廣泛關(guān)注。材料的電子結(jié)構(gòu)決定材料的各方面性能，對材料電子結(jié)構(gòu)的研究可以很好的預(yù)測材料的性能。過渡金屬氧化物中，由于3d電子之間的強關(guān)聯(lián)效應(yīng)的存在，準確地預(yù)測其物理化學性質(zhì)，一直是物理學的難題之一。

基于密度泛函理論(DFT)的第一性原理計算被廣泛應(yīng)用于材料性能的計算模擬中，早期的DFT(GGA和LDA)計算表明，單純的DFT方法計算出的過渡金屬氧化物的帶隙偏小，與實驗值存在較大的差異，不能合理的解釋材料的許多基本性質(zhì)。隨后，人們提出了DFT+U的方法對帶隙進行修正(U是Hubbard量，即電子的庫侖相互作用)，U值主要加在過渡金屬的3d電子軌道，該方法雖然對物質(zhì)的帶隙有了一定的提高，但與實驗值還有一定的差距，其主要原因是過渡金屬氧化物中O的2p態(tài)位于價帶頂，U值只是對過渡金屬3d態(tài)的能量位置進行了修正，而對O-2p態(tài)的位置影響不大。如何準確的描述過渡金屬氧化物的電子結(jié)構(gòu)是目前理論研究的一個難點，它關(guān)系到能否合理的解釋材料的基本性能以及對材料未知性能的準確預(yù)測。

發(fā)明內(nèi)容

為解決背景技術(shù)中存在的問題，本發(fā)明的目的主要是提供一種能準確計算過渡金屬氧化物能帶結(jié)構(gòu)的方法。實現(xiàn)本發(fā)明的技術(shù)方案為：

一種計算過渡金屬氧化物能帶結(jié)構(gòu)的方法，包括如下步驟：

1)建立晶體模型

查找參考文獻，根據(jù)晶體所屬的空間群、晶格常數(shù)，原子坐標建立晶體的結(jié)構(gòu)模型。

2) 參數(shù)及結(jié)構(gòu)優(yōu)化

(a) 根據(jù)上述晶體的空間群、晶格常數(shù)、原子坐標建立Quantum-ESPRESSO軟件的輸入文件，用XCRYSDEN可視化軟件查看所建結(jié)構(gòu)正確與否。

(b) 利用PWGUI圖形界面對輸入文件的各參數(shù)進行設(shè)置，選取合適的贗勢。

(c) 對截斷能(ecutwfc)及K點(K_POINTS)參數(shù)進行收斂測試，選取合適的截斷能和K點，并優(yōu)化晶格參數(shù)。

3) 電子結(jié)構(gòu)計算

(a) 電子的自洽計算：利用上述優(yōu)化的晶格常數(shù)、截斷能及K點等參數(shù)，設(shè)置lda_plus_u = .ture.用來衡量各元素的U值作用。對氧和過渡金屬分別設(shè)定一定的U值，其中氧衡量的是2p電子相互作用，過渡金屬衡量的是3d電子的相互作用。建好自洽輸入文件，之后用pw.x執(zhí)行自洽計算。

(b) 非自洽計算：該輸入文件與自洽輸入文件不同之處為calculation須設(shè)置為'bands'，同時設(shè)置nbnd用來設(shè)置計算能帶的數(shù)目，設(shè)置K_POINTS高對稱點以及之間的K點。其中高對稱點的選取可借助于XCRYSDEN軟件，之后用pw.x執(zhí)行非自洽計算。

(c) 利用bands.x計算出k點及對應(yīng)的本征值。

(d) 對得到的K點及本征值進行處理，可編程處理后用origin軟件或用Quantum-ESPRESSO自帶的plotband.x后處理程序進行繪圖。

4) 重復(fù)步驟3，根據(jù)實驗帶隙的大小及3d態(tài)的能量位置尋找合適的U值，并做出其對應(yīng)的能帶結(jié)構(gòu)圖。

本發(fā)明利用密度泛函理論，同時考慮了氧2p電子及過渡金屬3d電子的庫侖相互作用，對過渡金屬氧化物的能帶結(jié)構(gòu)進行了合理的修正，帶隙的理論計算結(jié)果(3.389 eV)與實驗值(3.37 eV)非常吻合,誤差僅為0.56%，這為分析材料的磁學、電學及光學等性能提供了理論基礎(chǔ)。

附圖說明

圖1為 ZnO結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為GGA計算ZnO能帶結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3為GGA+U_3d計算ZnO能帶結(jié)構(gòu)示意圖。

圖4為 GGA+U_3d+U_2p計算ZnO能帶結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實施方式

1. 建立晶體模型

根據(jù)ZnO的實驗晶格常數(shù)a=3.25 ?,c=5.20 ?建立晶體模型，其中兩個Zn原子的位置分別為(0.333,0.667,0.000)和(0.667,0.333,0.500), 兩個O原子的位置分別為(0.333,0.667,0.383)和(0.667,0.333,0.883)，如附圖1。

2. 參數(shù)及結(jié)構(gòu)優(yōu)化