一种描述材料晶体结构的方法及其应用技术

本申请公开了一种描述材料晶体结构的方法及其应用。本申请描述材料晶体结构的方法，包括将晶体结构中的原子和/或结构基元作为点；把原子和/或结构基元之间的连接作为边；采用点、边以及点与边的相互关系描述晶体结构中的原子和/或结构基元之间的连接关系，从而实现晶体结构的描述。本申请的方法，创造性的利用点和边的方式描述材料的晶体结构，能通过计算机语言存储大量而又繁琐的点与线的连接信息，方便计算机运算。本申请方法可便捷地将物理世界的原子、晶体结构构建到计算机语言中，可直接利用计算机领域的现有算法对材料的性质进行比对、分析和运算；可大规模批量处理晶体结构；为材料数据库构建和材料性质计算机分析奠定了基础。

A METHOD FOR DESCRIPTING CRYSTAL STRUCTURES OF MATERIALS AND ITS APPLICATION

【技术实现步骤摘要】
一种描述材料晶体结构的方法及其应用
本申请涉及材料晶体结构分析
，特别是涉及一种描述材料晶体结构的方法及其应用。
技术介绍
材料晶体结构作为材料特征的重要组成部分，被广泛应用于生活中的各方各面。为了加速晶体结构的研发进程，计算机模拟晶体的方法正在逐渐发展并开始在新材料研发中发挥作用。在最近五年，随着材料基因组计划的发展，材料结构数据库和计算机算法应用于材料领域的趋势愈加明显。有越来越多的材料研发开始采用从计算机设计再到实验合成的过程。在这些过程中，材料数据库也发挥着重要作用。随着计算机方法逐渐使用到材料领域中，如何将材料的问题转换为计算机问题，就成为了目前材料问题研究的重点。传统的材料晶体结构描述使用了点群空间群和晶胞周期性的描述方法，与实验中X射线衍射数据可以直接关联，具有很好的被人理解和分析的能力和作用。但是传统的材料晶体结构描述方法不适用于大数据时代的晶体结构分析，这主要是由于在大数据时代，数据库中晶体结构数量常常会达到几十万乃至上百万的规模，对如此多的结构进行分析首先涉及到识别结构或者对重复结构进行去重。如果采用传统的点群空间群或者晶胞周期性的描述方法，一般是通过键长和键角去定义结构的差异，这样得到的差异是一个连续函数，如何设置差异阈值去识别不同结构是很困难的事情。如果设置全局阈值，得到的识别结果必然不合理，也会对于少数畸变结构产生识别错误；而如果针对特定结构去设置差异阈值，则需要人为的对上百万的晶体结构进行逐一分析和处理，也难以实现。因此，现有的传统的材料晶体结构描述方法难以实现通过计算机对材料晶体结构进行比对、分析和运算，不适用于大数据时代的晶体结构分析。因此，亟需研发一种能够便于计算机对材料晶体结构进行比对、分析和运算的新的材料晶体结构描述方法，以满足日益发展的材料晶体结构研发的需求。
技术实现思路
本申请的目的是提供一种新的描述材料晶体结构的方法及其应用。本申请采用了以下技术方案：本申请的一方面公开了一种描述材料晶体结构的方法，包括：将晶体结构中的原子和/或结构基元作为点；把原子和/或结构基元之间的连接作为边；采用点、边以及点与边的相互关系描述晶体结构中的原子和/或结构基元之间的连接关系，从而实现材料晶体结构的描述。其中，结构基元是指由两个或多个原子组合在一起的基本单元。需要说明的是，本申请的材料晶体结构描述方法，将晶体结构中的原子和/或结构基元表述为点，将原子和/或结构基元的连接关系表述为边，通过对点和边的描述，实现晶体结构的描述，并通过分析点与边的相互关系，对晶体结构进行比对、分析和运算；这种描述方法能够很容易的采用计算机语言实现。因此，本申请的描述方法与传统的晶体结构描述方法相比：(1)本申请的描述方法，存储了大量而又繁琐的点与线的连接信息，这些内容虽然不适用于人直观的分析判断，但是能够方便计算机的运算，因此，本申请的描述方法特别适用于采用计算机进行大数据分析；(2)本申请的描述方法，能够便捷地将物理世界的原子、晶体结构构建到计算机语言中，可以利用计算机领域的现有的算法对材料的性质进行分析和运算，不仅准确、高效，而且大大减小了劳动力成本，对材料数据库的构建和应用具有重要意义。总的来说，传统的晶体结构描述方法，人类可以了解并分析现有的晶体结构，但是不利于计算机分析和运算；本申请的描述方法将晶体结构转变为可被计算机语言表述和识别的点和边的描述，计算机可以批量处理大量的晶体结构，并能够对这些结构进行比对、分析和运算。因此，本申请的描述方法可以方便的应用于基于计算机分析的材料数据库构建和材料性质分析等领域。优选的，本申请的材料晶体结构描述方法中，采用点、边以及点与边的相互关系描述晶体结构中的原子和/或结构基元之间的连接关系，具体包括采用原子半径重叠方法判断连接关系，或者采用寻找最近邻原子方法判断连接关系。优选的，采用原子半径重叠方法判断连接关系，具体包括以下步骤，对于晶体结构中元素的配对成键判断提供一个键长参数作为距离的参考阈值，其中，参考阈值为两个原子的半径之和；对给定晶体结构进行扩胞操作，扩胞操作包括以给定的晶体结构为原始晶胞，以原始晶胞为基础单元，并将原始晶胞作为中心，在三维空间中连续复制若干次后堆积成超胞；对超胞所包含的每个原子进行查找，每次以选定原子作为起点，依次计算选定原子和其他所有原子的距离，若该距离小于或等于参考阈值，则视作两个原子之间有连接关系；查找完成所有的原子，即构建获得超胞代表的晶体结构的原子之间的连接关系；结构基元之间的连接关系通过结构基元之间是否有共用原子判断，如果有共用原子则两个结构基元之间有连接关系，如果没有共用原子则通过结构基元中的原子与其它结构基元中的原子之间的连接关系进行判断。需要说明的是，参考阈值，例如对于碳-碳而言，其键长为1.89002埃，该值是两个碳原子的原子半径之和，该值即判断两个原子是否为碳-碳连接关系的参考阈值。另外，对于结构基元，可以理解，一个结构基元是由两个或多个原子组成，如果两个结构基元共用原子，则可以直接判断两个结构基元有连接；如果两个结构基元没有共用原子，则结构基元的连接判断方法实际上就是结构基元中的原子与其它结构基元中的原子之间的连接关系的判断方法，即采用参考阈值判断两个结构基元中的原子是否有连接，以此判断结构基元是否有连接。优选的，采用寻找最近邻原子方法判断连接关系，其特点在于实现并不需要给出一系列两个原子之间的参考阈值，而只通过晶体结构中的晶胞常数和原子位置信息便可判断原子的连接关系，具体包括以下步骤，对给定晶体结构进行扩胞操作，扩胞操作包括以给定的晶体结构为原始晶胞，以原始晶胞为基础单元，并将原始晶胞作为中心，在三维空间中连续复制若干次后堆积成超胞；对超胞中原始晶胞的每个原子进行查找，每次选定原子之后，构建该选定原子的魏格纳-塞兹原胞(Wigner-Seitzcell，缩写WScell)，如果选定原子与某一原子连线的垂直平分面在最小的魏格纳-塞兹原胞表面，则选定原子与该原子有连接，查找完成所有的原子，即构建获得超胞代表的晶体结构的原子之间的连接关系；结构基元之间的连接关系通过结构基元之间是否有共用原子判断，如果有共用原子则两个结构基元之间有连接关系，如果没有共用原子则通过结构基元中的原子与其它结构基元中的原子之间的连接关系进行判断。需要说明的是，其中，构建该选定原子的魏格纳-塞兹原胞的具体方法可以参考现有的魏格纳-塞兹原胞构建，例如，本申请的一种实现方式中，具体包括，每次选定原子之后，从该选定原子出发依次和其他所有原子连接一条线段，并找出空间中该线段的垂直平分面，假设超胞内共计有n个原子，即可获得n-1个垂直平分面；从获得的n-1个垂直平分面内，任意连续不重复的取出三个面，利用行列式判断三面是否存在共点并利用相关几何知识求解三个平面的交点坐标，如果存在平行情况则跳过，重新任选三个面；从三个平面的交点开始依次计算该交点和超胞内的所有原子的距离，如果该交点和选定原子之间的距离是最小的，且连续有三个相等的最小值，并且没有重复交点情况，则视作该交点有效，记录下获得该交点的三个平面，并由三个平面回溯找到对应的超胞内的原子，记录这三个平面对应的原子的元素种类和位置；当完成所有交点的遍历判断，即完成针对选定原子的魏格本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种描述材料晶体结构的方法，其特征在于：将晶体结构中的原子和/或结构基元作为点；把原子和/或结构基元之间的连接作为边；采用点、边以及点与边的相互关系描述晶体结构中的原子和/或结构基元之间的连接关系，从而实现材料晶体结构的描述。

【技术特征摘要】
1.一种描述材料晶体结构的方法，其特征在于：将晶体结构中的原子和/或结构基元作为点；把原子和/或结构基元之间的连接作为边；采用点、边以及点与边的相互关系描述晶体结构中的原子和/或结构基元之间的连接关系，从而实现材料晶体结构的描述。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述采用点、边以及点与边的相互关系描述晶体结构中的原子和/或结构基元之间的连接关系，具体包括采用原子半径重叠方法判断连接关系，或者采用寻找最近邻原子方法判断连接关系。3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：所述采用原子半径重叠方法判断连接关系，具体包括以下步骤，对于晶体结构中元素的配对成键判断提供一个键长参数作为距离的参考阈值，所述参考阈值为两个原子的半径之和；对给定晶体结构进行扩胞操作，所述扩胞操作包括以给定的晶体结构为原始晶胞，以原始晶胞为基础单元，并将原始晶胞作为中心，在三维空间中连续复制若干次后堆积成超胞；对超胞所包含的每个原子进行查找，每次以选定原子作为起点，依次计算选定原子和其他所有原子的距离，若该距离小于或等于参考阈值，则视作两个原子之间有连接关系；查找完成所有的原子，即构建获得超胞代表的晶体结构的原子之间的连接关系；结构基元之间的连接关系通过结构基元之间是否有共用原子判断，如果有共用原子则两个结构基元之间有连接关系，如果没有共用原子则通过结构基元中的原子与其它结构基元中的原子之间的连接关系进行判断。4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：所述采用寻找最近邻原子方法判断连接关系，具体包括以下步骤，对给定晶体结构进行扩胞操作，所述扩胞操作包括以给定的晶体结构为原始晶胞，以原始晶胞为基础单元，并将原始晶胞作为中心，在三维空间中连续复制若干次后堆积成超胞；对超胞中原始晶胞的每个原子进行查找，每次选定原子之后，构建该选定原子的魏格纳-塞兹原胞，如果选定原子与某一原子连线的垂直平分面在最小的魏格纳-塞兹原胞表面，则选定原子与该原子有连接，查找完成所有的原子，即构建获得超胞代表的晶体结构的原子之间的连接关系；结构基元之间的连接关系通过结构基元之间是否有共用原子判断，如果有共用原子则两个结构基元之间有连接关系，如果没有共用原子则通过结构基元中...

【专利技术属性】
技术研发人员：潘锋，翁谋毅，王志，
申请(专利权)人：北京大学深圳研究生院，
类型：发明
国别省市：广东,44