拓扑电子材料的判定和搜索方法技术

本发明专利技术提供一种拓扑电子材料的判定方法，其包括：步骤1：判断给定材料的磁性及金属性，选出非磁性、非金属材料；步骤2：基于所选材料的结构文件计算在布里渊区高对称点的电子波函数及能量本征值；步骤3：基于步骤2所得到的电子波函数和能量本征值判断材料在高对称点占据数能带处是否存在简并。本发明专利技术的方法过程简单，能够全面快速地找出所有能用对称本征值判断的拓扑材料。

A Method for Determining and Searching Topological Electronic Materials

【技术实现步骤摘要】
拓扑电子材料的判定和搜索方法
本专利技术涉及计算物理和材料科学领域，尤其涉及一种拓扑电子材料的判定和搜索方法。
技术介绍
拓扑电子材料是近年来在凝聚态物理学中被发现的一类新型材料，包括拓扑绝缘体材料和拓扑半金属。它的主要特点是拥有非平凡的“拓扑性质”，具体体现在两个方面：1.在拓扑绝缘体材料的表面，存在着一般二维材料中无法实现的表面电子态(如没有背散射的电子态等)；2.在拓扑半金属的体内，存在着线性负磁阻等所谓“量子反常”的现象。这些性质使得拓扑电子材料在高容错的拓扑量子计算、超低能耗电子器件等多方面有着应用前景。也让很多计算物理学家和材料科学家积极寻找更新的更好的此类材料。然而，发现新的拓扑电子材料并非易事。现有的判断拓扑电子材料的方法需要先对布里渊区密集采点(一般要几十上百个点)进行第一性原理计算，然后再计算“拓扑不变量”，通过拓扑不变量的数值来判断材料是否是拓扑的。因此，对于一个给定的化合物，想要预先判断它有无拓扑性质，必须计算它的“拓扑不变量”。拓扑不变量首先是一个复杂的数学概念，涉及到大多数领域内科学家所不具备的当代数学知识如“代数拓扑学”；其次，即便在数学知识完备的情况下，在第一性原理计算软件中实现拓扑不变量的计算也是非常繁琐的，时间代价和人工代价极高。因此，急需一种判定和搜索拓扑电子材料的简单易行的方法。
技术实现思路
因此，本专利技术的目的在于克服上述现有技术的缺陷，提供一种全面、快速、自动化的拓扑电子材料的判定方法，其包括如下步骤：步骤1：判断给定材料的磁性及金属性，选出非磁性、非金属材料；步骤2：基于所选材料的结构文件计算在布里渊区高对称点的电子波函数及能量本征值；步骤3：基于步骤2所得到的电子波函数和能量本征值判断材料在高对称点占据数能带处是否存在简并。根据本专利技术的拓扑电子材料的判定方法，优选地，所述步骤2还包括对所选材料的结构文件进行对称性检查及结构规范化。根据本专利技术的拓扑电子材料的判定方法，优选地，在步骤3中，如果材料在高对称点占据数能带处存在简并，则判定该材料属于“高对称点拓扑半金属”。根据本专利技术的拓扑电子材料的判定方法，优选地，如果材料在高对称点占据数能带处不存在简并，则进行如下步骤4：步骤4：判断材料的能带是否满足相容性关系。根据本专利技术的拓扑电子材料的判定方法，优选地，在步骤3中，根据所述能量本征值获得材料的直接能隙，如果所述直接能隙大于等于2meV，则判断材料在高对称点占据数能带处不存在简并。根据本专利技术的拓扑电子材料的判定方法，优选地，在步骤3中，根据所述能量本征值获得材料的直接能隙，如果所述直接能隙小于2meV，则进行简并态计算。根据本专利技术的拓扑电子材料的判定方法，优选地，如果材料的能带不满足相容性关系，则该材料属于“高对称线拓扑半金属”。根据本专利技术的拓扑电子材料的判定方法，优选地，如果材料的能带满足相容性关系，则进行如下步骤5：步骤5：计算材料的对称性指标。根据本专利技术的拓扑电子材料的判定方法，优选地，在步骤5中，忽略自旋轨道耦合效应时，如果所述对称性指标不全为0，则判定该材料属于“一般点拓扑半金属”。根据本专利技术的拓扑电子材料的判定方法，优选地，在步骤5中，考虑自旋轨道耦合效应时，如果所述对称性指标不全为0，则判定该材料属于“拓扑绝缘体”或“拓扑晶体绝缘体”。根据本专利技术的拓扑电子材料的判定方法，优选地，如果所述对称性指标里最后一位强拓扑指标为奇数，则判定该材料属于“拓扑绝缘体”；如果所述对称性指标里最后一位强拓扑指标为偶数，则判定该材料属于“拓扑晶体绝缘体”。本专利技术提供的方法可以大大简化拓扑电子材料的判定过程，且通过对已有的材料数据库的全盘扫描，可以找出所有能用对称性本征值判断的拓扑材料。附图说明以下参照附图对本专利技术实施例作进一步说明，其中：图1为根据本专利技术的判定拓扑电子材料的方法流程图。具体实施方式为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图通过具体实施例对本专利技术进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。总地来说，参见图1所示的流程图，本专利技术的拓扑电子材料的判定包括如下步骤：步骤1：判断材料的磁性及金属性，选出非磁性、非金属材料；步骤2：优选地对步骤1选出的材料进行对称性检查和结构规范化；步骤3：计算材料在布里渊区高对称点的电子波函数及能量本征值；步骤4：判断材料在高对称点占据数能带处是否存在简并，如果存在简并，则判断该材料为“高对称点拓扑半金属”，如果不存在简并，则进行如下步骤5，由于只有高对称点直接能隙小于2meV的材料才有可能是“高对称点拓扑半金属”，因此，首先从步骤3得到的能量本征值判断材料的直接能隙，如果其大于等于2meV，则直接判断其不存在简并并进行如下步骤5，如果其小于2meV，则进行简并判断的相关计算；步骤5：判断材料能带是否满足相容性关系，如果不满足，则判断该材料为“高对称线拓扑半金属”，如果满足，则进行如下步骤6；步骤6：计算材料的对称性指标，并依据该对称性指标判定材料是否为“一般点拓扑半金属”(忽略自旋轨道耦合效应时)，或者“拓扑绝缘体”或“拓扑晶体绝缘体”(考虑自旋轨道耦合效应时)。以下结合本专利技术的实施例，对于上述步骤进行详细解释。步骤1：给定一个材料，从TheMaterialsProject网站上获取材料的磁矩，根据原胞中每种元素的个数计算材料的电子数，如果磁矩小于0.1μB则判定为非磁性材料，如果材料的电子数为奇数则为金属材料，根据此标准选出非磁性、非金属材料进行如下步骤。步骤2：通常一个材料的对称性是已知的，但因为误差等原因导致材料用于计算的结构文件并不严格具有已知的对称性。结构文件是储存材料中每个原子所处的位置坐标的文件。为了保证计算结果的准确性，需要对材料中原子的坐标进行微小调整使其具有相应的对称性。根据本专利技术的一个实施例，这一步是通过phonopy软件包完成的，在确定对称性的过程中，原子坐标的移动范围从10-5埃逐步放宽到10-1埃，直到找到正确的对称性，如果精度到10-1埃时仍未找到对称性则该材料的结构文件被视为是错误的。除了检查对称性外，还将材料原胞的基矢进行规范化，即通过一个相似变换使得属于同种布拉菲格子的材料的基矢具有相同的规范。这一步之所以需要是因为不同的对称操作在不同的坐标基矢下的矩阵形式是不一样的，为了方便后续计算波函数的对称性本征值，在本专利技术的一个实施例中需要将材料原胞的基矢规范化，这样属于同种布拉菲格子的空间群的对称操作矩阵就是一致的。步骤3：利用ViennaAbinitioSimulationPackage(VASP)软件包计算材料在布里渊区高对称点的电子波函数及能量本征值。根据SongZ,ZhangT,FangZ,etal.Quantitativemappingsbetweensymmetryandtopologyinsolids[J].Naturecommunications,2018,9(1):3530.和SongZ,ZhangT,FangC.Diagnosisfornonmagnetictopologicalsemimetalsintheabsenceofspin-orbitalcoupling[J].PhysicalReviewX,20本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种拓扑电子材料的判定方法，其包括如下步骤：步骤1：判断给定材料的磁性及金属性，选出非磁性、非金属材料；步骤2：基于所选材料的结构文件计算在布里渊区高对称点的电子波函数及能量本征值；以及步骤3：基于步骤2所得到的电子波函数和能量本征值判断材料在高对称点占据数能带处是否存在简并。

【技术特征摘要】
2018.07.17 CN 20181078092841.一种拓扑电子材料的判定方法，其包括如下步骤：步骤1：判断给定材料的磁性及金属性，选出非磁性、非金属材料；步骤2：基于所选材料的结构文件计算在布里渊区高对称点的电子波函数及能量本征值；以及步骤3：基于步骤2所得到的电子波函数和能量本征值判断材料在高对称点占据数能带处是否存在简并。2.根据权利要求1所述的拓扑电子材料的判定方法，其中，所述步骤2还包括对所选材料的结构文件进行对称性检查及结构规范化。3.根据权利要求1所述的拓扑电子材料的判定方法，其中，在步骤3中，如果材料在高对称点占据数能带处存在简并，则判定该材料属于“高对称点拓扑半金属”。4.根据权利要求1所述的拓扑电子材料的判定方法，其中，如果材料在高对称点占据数能带处不存在简并，则进行如下步骤4：步骤4：判断材料的能带是否满足相容性关系。5.根据权利要求4所述的拓扑电子材料的判定方法，其中，在步骤3中...

【专利技术属性】
技术研发人员：蒋毅，宋志达，张田田，方忠，翁红明，方辰，
申请(专利权)人：中国科学院物理研究所，
类型：发明
国别省市：北京,11