一种Mg、Ca元素掺杂改性二氧化硅材料折射率的预测方法技术

本发明专利技术公开了一种Mg、Ca元素掺杂改性二氧化硅材料折射率的预测方法，S1、选择Mg、Ca元素对SiO2材料进行掺杂，构建不同元素掺杂的多个SiO2元素差异模型；S2、通过模拟优化软件对SiO2元素差异模型进行分子动力学模拟和结构优化，得出最佳元素的掺杂种类；S3、选择SiO2材料中Mg、Ca元素不同的掺杂配比，构建不同掺杂配比的多个SiO2配比差异模型；S4、通过模拟优化软件对SiO2配比差异模型进行结构优化，根据SiO2元素差异模型得到其晶格参数，介电常数，结合态密度图，得出最佳掺杂元素的配比。本发明专利技术计算快速、结果准确，能验证与解析实验结果，还能对SiO2掺杂元素的选择和配比提供理论指导。

【技术实现步骤摘要】
一种Mg、Ca元素掺杂改性二氧化硅材料折射率的预测方法
本专利技术涉及光纤光缆领域，尤其涉及一种Mg、Ca元素掺杂改性SiO2材料折射率的预测方法。
技术介绍
目光纤是一种传输光束的介质，由芯层、包层和涂覆层构成，被广泛应用于通信行业。光纤的核心部分为内层折射率较高的高纯度玻璃和外层折射率较低的玻璃包层。中国提供了全球光纤光缆主要产能。2010-2017年全球光纤产量和中国光纤产量的复合增长率分别为14.39％和23.97％，未来随着智慧城市、无人驾驶、电子健康、物联网等应用场景都在驱动新的数字革命，光纤的市场需求将进一步扩大。然而，光纤光缆面临着在损耗、有效面积和抗弯曲等性能上的考验。有效提高光纤芯层的折射率不仅可以减轻日益严峻的能源问题，响应国家节能减排的号召，还可以增加光纤光缆的产量。因此，如何筛选及设计光纤光缆芯层材料及组分则成为了该领域的研究热点。SiO2材料作为玻璃使用最广泛的材料，其内在结构性质已被研究多年，主要有2种学说：晶子学说无规则网络学说。在加入碱金属时，其光学性能会提升。Mg、Ca作为碱土金属元素有着比碱金属元素更大的原子半径，掺杂在SiO2材料可能会有更好的性能。但是目前现有技术中难以确定SiO2材料掺杂元素的最佳配比，因此建立一种对掺杂改进后折射率及电子性能的评价和预测方法，对SiO2光纤光缆材料的制备和开发尤为重要。掺杂后的SiO2几何结构及内部参数发生变化，导致折射率及电子性能的改变，因此从微观角度分析掺杂对SiO2的影响也是最准确。
技术实现思路
基于以上现有技术的不足，本专利技术所解决的技术问题在于针对现有技术中难以确定SiO2材料掺杂元素的最佳配比，提供一种Mg、Ca元素掺杂改性SiO2材料折射率的预测方法。为了解决上述技术问题，本专利技术提供一种Mg、Ca元素掺杂改性二氧化硅材料折射率的预测方法，包含如下步骤：S1、选择Mg、Ca元素对SiO2材料进行掺杂，通过材料模型构建软件构建不同元素、不同掺杂配比的多个SiO2模型；S2、通过模拟优化软件VASP对SiO2模型进行分子动力学模拟，得到模拟完成之后的稳定SiO2模型；S3、通过模拟优化软件VASP对经过行分子动力学模拟的SiO2模型进行结构优化，计算得到各个SiO2模型达到稳定结构的晶格常数、介电常数和态密度，根据SiO2模型的态密度绘制态密度图并计算出禁带宽度，根据SiO2模型的介电常数计算折射率，结合禁带宽度和折射率，得出最佳掺杂元素的配比。作为上述技术方案的优选，本专利技术提供的Mg、Ca元素掺杂改性二氧化硅材料折射率的预测方法进一步包括下列技术特征的部分或全部：作为上述技术方案的改进，步骤S1中的SiO2模型包括：对SiO2材料建立具有162个原子非晶超胞，得到未掺杂的SiO2非晶超胞模型；对SiO2材料建立具有162个原子非晶超胞，选取任意5个SiO2非晶超胞中的SiO2单体结构，用MgO结构替换掉，得到Mg掺杂配比为10at％的非晶超胞模型；对SiO2材料建立具有162个原子非晶超胞，选取任意5个SiO2非晶超胞中的SiO2单体结构，用CaO结构替换掉，得到Ca掺杂配比为10at％的非晶超胞模型；对SiO2材料建立具有162个原子非晶超胞，选取任意10个SiO2非晶超胞中的SiO2单体结构，分别用5个MgO结构和5个CaO结构替换掉，得到Mg、Ca掺杂配比为20at％的非晶超胞模型。作为上述技术方案的改进，步骤S2中的SiO2模型包括：对SiO2材料建立具有162个原子非晶超胞，得到未掺杂的SiO2非晶超胞模型；对SiO2材料建立具有162个原子非晶超胞，选取任意10个SiO2非晶超胞中的SiO2单体结构，用MgO结构替换掉，得到Mg掺杂配比为20at％的非晶超胞模型；对SiO2材料建立具有162个原子非晶超胞，选取任意16个SiO2非晶超胞中的SiO2单体结构，用MgO结构替换掉，得到Mg掺杂配比为30at％的非晶超胞模型；对SiO2材料建立具有162个原子非晶超胞，选取任意10个SiO2非晶超胞中的SiO2单体结构，用CaO结构替换掉，得到Ca掺杂配比为20at％的非晶超胞模型；对SiO2材料建立具有162个原子非晶超胞，选取任意16个SiO2非晶超胞中的SiO2单体结构，用CaO结构替换掉，得到Ca掺杂配比为30at％的非晶超胞模型；对SiO2材料建立具有162个原子非晶超胞，选取任意16个SiO2非晶超胞中的SiO2单体结构，分别用8个MgO结构和8个CaO结构替换掉，得到Mg、Ca掺杂配比为30at％的非晶超胞模型。作为上述技术方案的改进，步骤S4中所述通过模拟优化软件VASP对模型进行分子动力学模拟和结构优化的方法为：通过VESTA软件将SiO2模型转为VASP格式，设置模拟优化软件VASP的四个输入文件：计算控制参数文件INCAR、K点取样KPOINT、描述体系结构文件POSCAR和赝式文件POTCAR，进而通过模拟优化软件VASP得到分子动力学模拟后的稳定结构和优化后的稳定结构数据文件。作为上述技术方案的改进，所述该方法中计算晶格常数的方法为：根据稳定结构数据文件，通过VESTA软件显示优化稳定结构，根据显示结果得到晶格常数。作为上述技术方案的改进，该方法中计算折射率和禁带宽度的方法为：根据稳定结构数据文件，进行计算，得到介电常数，根据介电常数计算出折射率，并根据布里渊区划分计算态密度，得到禁带宽度。作为上述技术方案的改进，该方法中计算折射率的公式为：其中，n为材料的折射率，ε1为介电函数的实部。作为上述技术方案的改进，该方法中的材料模型构建软件为MaterialsStudio。作为上述技术方案的改进，步骤S2中得到的最佳掺杂元素为Ca，最佳掺杂元素的配比为30at％。与现有技术相比，本专利技术的技术方案具有如下有益效果：本专利技术的Mg、Ca元素掺杂改性SiO2材料折射率的预测方法，计算快速、结果准确，不仅可以验证与解析实验结果，而且可以对SiO2掺杂元素的选择和配比提供直接的理论指导。此外，该方法不需要大量的实验仪器和材料，具有快速、低成本、高效率、无污染等特点，节省了人力、物力和财力，能够促进SiO2材料的快速发展。上述说明仅是本专利技术技术方案的概述，为了能够更清楚了解本专利技术的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本专利技术的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下结合优选实施例，详细说明如下。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例的技术方案，下面将对实施例的附图作简单地介绍。图1是具体研究的技术路线流程图；图2(a)是Mg以10at％、20at％、30at％浓度掺杂SiO2的总态密度图；图2(b)是Ca以10at％、20at％、30at％浓度掺杂SiO2的总态密度图；图3(a)是分别以20at％浓度的Mg、Ca以及Mg、Ca等比例共同掺杂SiO2的总态密度图；图3(b)是分别以30at％浓度的Mg、Ca以及Mg、Ca等比例共同掺杂SiO2的总态密度图；图4是Mg、Ca掺杂SiO2禁带宽度图；图5(a)是分别以20at％浓度的Mg、Ca以及Mg、Ca等比例共同掺杂SiO2的介电常数图；图5(b)是分别以30at％浓度的Mg、Ca以及Mg、Ca等比例共同掺杂SiO2的介电常数图；图本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种Mg、Ca元素掺杂改性二氧化硅材料折射率的预测方法，其特征在于，所述方法包含如下步骤：S1、选择Mg、Ca元素对SiO2材料进行掺杂，通过材料模型构建软件构建不同元素、不同掺杂配比的多个SiO2模型；S2、通过模拟优化软件VASP对SiO2模型进行分子动力学模拟，得到模拟完成之后的稳定SiO2模型；S3、通过模拟优化软件VASP对经过行分子动力学模拟的SiO2模型进行结构优化，计算得到各个SiO2模型达到稳定结构的晶格常数、介电常数和态密度，根据SiO2模型的态密度绘制态密度图并计算出禁带宽度，根据SiO2模型的介电常数计算折射率，结合禁带宽度和折射率，得出最佳掺杂元素的配比。

【技术特征摘要】
1.一种Mg、Ca元素掺杂改性二氧化硅材料折射率的预测方法，其特征在于，所述方法包含如下步骤：S1、选择Mg、Ca元素对SiO2材料进行掺杂，通过材料模型构建软件构建不同元素、不同掺杂配比的多个SiO2模型；S2、通过模拟优化软件VASP对SiO2模型进行分子动力学模拟，得到模拟完成之后的稳定SiO2模型；S3、通过模拟优化软件VASP对经过行分子动力学模拟的SiO2模型进行结构优化，计算得到各个SiO2模型达到稳定结构的晶格常数、介电常数和态密度，根据SiO2模型的态密度绘制态密度图并计算出禁带宽度，根据SiO2模型的介电常数计算折射率，结合禁带宽度和折射率，得出最佳掺杂元素的配比。2.如权利要求1所述的Mg、Ca元素掺杂改性二氧化硅材料折射率的预测方法，其特征在于，步骤S1中的SiO2模型包括：对SiO2材料建立具有162个原子非晶超胞，得到未掺杂的SiO2非晶超胞模型；对SiO2材料建立具有162个原子非晶超胞，选取任意5个SiO2非晶超胞中的SiO2单体结构，用MgO结构替换掉，得到Mg掺杂配比为10at％的非晶超胞模型；对SiO2材料建立具有162个原子非晶超胞，选取任意5个SiO2非晶超胞中的SiO2单体结构，用CaO结构替换掉，得到Ca掺杂配比为10at％的非晶超胞模型；对SiO2材料建立具有162个原子非晶超胞，选取任意10个SiO2非晶超胞中的SiO2单体结构，分别用5个MgO结构和5个CaO结构替换掉，得到Mg、Ca掺杂配比为20at％的非晶超胞模型。3.如权利要求1所述的Mg、Ca元素掺杂改性二氧化硅材料折射率的预测方法，其特征在于：步骤S2中的SiO2模型包括：对SiO2材料建立具有162个原子非晶超胞，得到未掺杂的SiO2非晶超胞模型；对SiO2材料建立具有162个原子非晶超胞，选取任意10个SiO2非晶超胞中的SiO2单体结构，用MgO结构替换掉，得到Mg掺杂配比为20at％的非晶超胞模型；对SiO2材料建立具有162个原子非晶超胞，选取任意16个SiO2非晶超胞中的SiO2单体结构，用MgO结构替换掉，得到Mg掺杂配比为30at％的非晶超胞模型；对SiO2材料建立具有162个...

【专利技术属性】
技术研发人员：李能，黄成，
申请(专利权)人：武汉理工大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42