[發明專利]一種基于晶體拓撲學理論的晶體結構預測方法

在審

• 申請號: 202011384002.7
• 申請日: 2020-11-30
• 公開（公告）號: CN112466411A
• 公開（公告）日: 2021-03-09
• 發明（設計）人: 曾慶豐;王銀;布拉托夫;羊昌浩
• 申請（專利權）人: 西北工業大學
• 主分類號: G16C20/30
• 分類號: G16C20/30
• 代理公司: 西北工業大學專利中心 61204
• 代理人: 華金

本發明涉及一種基于晶體拓撲學理論的晶體結構預測方法，涉及材料結構技術領域，所述方法包括：利用晶體拓撲學方法系統地、全面地搜索獲取能量穩定的晶體結構；獲得所述研究對象的力學穩定性；獲得所述研究對象的力學性質。對所述研究對象進行結構特征分析，并獲得不同拓撲類型的晶體結構。根據所述研究對象的所述能量穩定性、所述力學穩定性、所述力學性質獲得所述碳體系晶體結構性能分析的結果。實現了預測晶體結構全面，預測方法具有普適性，預測結果準確性高、可靠性強和預測效率高的技術效果。

技術領域

本發明屬于材料結構技術領域，特別涉及一種基于晶體拓撲學理論的晶體結構預測方法。

背景技術

實現晶體結構預測的方法多種多樣，使用專業軟件USPEX進行晶體結構預測和原子融合進入Wyckoff位置進行晶體結構預測是現今較為主流的方法。

第一種方法只需要給定材料的組分，就能夠合理可靠地預測材料在給定壓力和溫度條件下的晶體結構。它是一種以遺傳搜索算法為基礎的結構預測方法。然而，這種方法只能找到為數不多(一般不超過10個)的能量穩定化合物(參考論文：樊濤,曾慶豐,于樹印.Hf-N體系的晶體結構預測和性質的第一性原理研究[J].物理學報,2016,65(11):244-256.)，對于結構種類繁多的特定體系的晶體結構預測并不適用。直白一點就是說這種方法具有明顯的劣勢：無法搜索化合物的整個構型空間，不能完成大數量的晶體結構發現任務。

第二種方法骨架原子隨機進行移動，以原子融合的方式進入Wyckoff位置，以實現結構模型的搭建。這種方法劣勢在于：原子不能均衡地搜索整個構型空間，忽略了大量可能存在的結構模型，極大地降低了結構的預測效率(參考專利：李乙,宣宇智.基于枚舉Wyckoff位置組合的假想無機晶體結構預測方法,2018)。

目前還沒有全體系晶體結構預測的系統性方法。

發明內容

本發明解決的技術問題是：在當前拓撲性質描述結構種類繁多的特定體系晶體結構已成為主流手段的時代背景之下，并且拓撲網絡之間的轉變規律也暗示著晶體結構之間的內在關聯。在這樣的科學技術條件之下，本發明采用晶體拓撲學方法，嘗試利用晶體結構的內在關聯，通過上下級網絡之間的關系(如圖2)，完成系統性的晶體結構預測。基于晶體拓撲學理論的晶體結構預測方法其優勢在于：能夠搜索化合物的整個構型空間，一次性預測獲得大量的能量穩定晶體結構，并且能夠完成任意結構復雜體系的晶體結構預測。

本發明的技術方案是：一種基于晶體拓撲學理論的晶體結構預測方法，包括以下步驟：

步驟1：第一代晶體結構預測過程，包括以下子步驟：

步驟1.1：以一個或多個已知的穩定晶體結構作為初始父系結構，確定其拓撲性質；

步驟1.2：在初始父系結構上ToposPro軟件隨機添加部分化學鍵，生成該初始父系結構的上級拓撲網絡；

步驟1.3：從上級拓撲網絡中，ToposPro軟件隨機刪除部分化學鍵，生成新一級的拓撲網絡，且該拓撲網絡位于步驟1.2中拓撲網絡的下一級，與步驟1.1中的初始父系結構為同級。

步驟2：第二代晶體結構預測過程，包括以下子步驟：

步驟2.1：在步驟1.3獲得的拓撲網絡中選取相對能量不大于0.2eV/atom的結構，作為第二代的父系結構；

步驟2.2：在步驟2.1的第二代父系結構拓撲網絡中ToposPro軟件隨機添加部分化學鍵，生成該第二代父系結構的上級拓撲網絡；

步驟2.3：從第二代父系結構的上級拓撲網絡中，ToposPro軟件隨機刪除部分化學鍵，生成新一級的拓撲網絡，且該拓撲網絡位于步驟2.2中拓撲網絡的下一級，與步驟2.1中的第二代父系結構為同級。