一种基于VASP软件的二维InGaN材料的设计方法技术

本发明专利技术公开了一种基于VASP软件的二维InGaN材料的设计方法，包括以下步骤：(1)对块体InGaN材料的原子结构模型进行几何优化；(2)构建二维InGaN的原子结构模型：从几何优化后的块体InGaN材料中沿c面切出表面，沿c轴方向添加真空层构建晶胞；在二维InGaN材料的表面添加赝氢原子，氢原子成键方向垂直于c轴；(3)计算二维InGaN材料的能带结构：首先对二维InGaN材料的原子结构模型进行几何优化，接着通过单点能计算输出电荷分布情况，最后计算二维InGaN材料的能带结构，读取单点能计算输出的电荷分布。本发明专利技术解决了非层状二维材料设计中计算难收敛的问题，减少了材料设计的时间，提高了效率。提高了效率。提高了效率。

【技术实现步骤摘要】
一种基于VASP软件的二维InGaN材料的设计方法


[0001]本专利技术涉及半导体材料的设计领域，特别涉及一种基于VASP软件的二维InGaN材料的设计方法。

技术介绍

[0002]石墨烯的成功剥离引发了二维材料的研发热潮，但目前研究较多的石墨烯和二维过渡金属硫化物是零带隙或窄带隙材料，限制了在电子和光电子领域的应用。因此，亟需开发一种带隙可调控的二维材料。
[0003]VASP是基于密度泛函理论进行第一性原理模拟的材料模拟软件，能对材料的原子结构、电子结构及光学性质等物理性能进行预测。

技术实现思路

[0004]为了克服现有技术的上述缺点与不足，本专利技术的目的在于提供一种基于VASP软件的二维InGaN材料的设计方法，解决了非层状二维材料设计中，由于表面原子的电子结构不稳定导致计算难收敛的问题，减少了材料设计的时间，提高了效率。
[0005]本专利技术的目的通过以下技术方案实现：
[0006]一种基于VASP软件的二维InGaN材料的设计方法，包括以下步骤：
[0007](1)对块体In
x
Ga1‑
x
N材料的原子结构模型进行几何优化；其中x＝0～1；
[0008]所述几何优化采用HSE06杂化泛函处理电子的交换关联能；
[0009](2)构建二维In
x
Ga1‑
x
N材料的原子结构模型：
[0010]从几何优化后的块体In
x
Ga1‑
xr/>N材料中沿c面切出表面，沿c轴方向添加真空层构建晶胞；
[0011]在二维In
x
Ga1‑
x
N材料的表面添加赝氢原子，氢原子成键方向垂直于c轴；
[0012]在生成的POSCAR文件中将与N原子和In/Ga原子相连的H原子分别设置为H1、H2，利用含0.75个电子和1.25个电子的H原子POTCAR文件生成POTCAR文件，并分别设置为H1、H2；
[0013](3)计算二维In
x
Ga1‑
x
N材料的能带结构：
[0014]首先对二维In
x
Ga1‑
x
N材料的原子结构模型进行几何优化，接着通过单点能计算输出电荷分布情况，最后计算二维In
x
Ga1‑
x
N材料的能带结构，读取单点能计算输出的电荷分布情况；
[0015]所述几何优化采用HSE06杂化泛函处理电子的交换关联能；
[0016]所述单点能计算采用HSE06杂化泛函处理电子的交换关联能。
[0017]优选的，步骤(1)所述块体In
x
Ga1‑
x
N材料的原子结构模型的构建过程如下：
[0018]从晶体数据库中获取纤锌矿结构InN和GaN的结构文件，并计算In
x
Ga1‑
x
N的晶格常数；
[0019]当In
x
Ga1‑
x
N中x<0.5时，按照GaN中原子位置添加Ga、N原子，根据x值确认In原子比例，构建超晶胞并替换Ga原子；
[0020]当x≥0.5时，按照InN中原子位置添加In、N原子，根据x值确认Ga原子比例，构建超晶胞并替换In原子。
[0021]优选的，步骤(2)所述表面的厚度为1～5层原子。
[0022]优选的，所述几何优化的过程中，平面波截断能Encut设置为520eV。
[0023]优选的，所述单点能计算中，平面波截断能Encut设置为520eV。
[0024]优选的，步骤(3)所述对二维In
x
Ga1‑
x
N材料的原子结构模型进行几何优化中，电子步收敛判据EDIFF设置为1E
‑
6。
[0025]优选的，步骤(3)所述单点能计算输出电荷分布情况的过程中，电子步收敛判据EDIFF设置为1E
‑
7。
[0026]优选的，所述计算二维In
x
Ga1‑
x
N材料的能带结构的过程中，能带计算路径设置为G
‑
M
‑
K
‑
G。
[0027]优选的，步骤(2)所述真空层的厚度为
[0028]优选的，步骤(3)中，设置N
‑
H化学键长Ga
‑
H化学键长In
‑
H化学键长且氢原子成键方向垂直于c轴。
[0029]与现有技术相比，本专利技术具有以下优点和有益效果：
[0030](1)本专利技术的基于VASP软件的二维In
x
Ga1‑
x
N材料的设计方法，以几何优化后块体材料的原子结构模型作为模板构建二维材料，在优化后块体材料的基础上构建二维材料模型更接近稳定结构，几何优化时能较快收敛，减少了材料设计的时间，提高了效率。
[0031](2)本专利技术的基于VASP软件的二维In
x
Ga1‑
x
N材料的设计方法，针对不同表面原子采用具有不同赝势的赝氢原子钝化表面悬挂键的方法，解决了非层状二维材料在第一性原理计算中由于表面原子的电子结构不稳定导致计算无法收敛的问题。
[0032](3)本专利技术的基于VASP软件的二维In
x
Ga1‑
x
N材料的设计方法，得到二维In
x
Ga1‑
x
N的能带结构与材料的组分、结构之间对应关系，设计得到的二维In
x
Ga1‑
x
N是一种具有1.28eV
‑
4.53eV的超宽范围连续可调带隙的二维材料，相比于常见的石墨烯、二维过渡金属硫化物等零带隙和窄带隙材料，可实现从近红外到深紫外光电器件的广泛应用。
附图说明
[0033]图1为本专利技术的实施例1设计得到的1
‑
5层二维GaN的原子结构示意图。
[0034]图2为本专利技术的实施例1设计得到的1
‑
5层二维GaN带隙随层数变化的曲线图。
[0035]图3为本专利技术实施例制备的二维GaN的AFM图像,图中(a)、(b)分别为样品表面形貌图及图中划线部分对应的高度曲线。
[0036]图4为本专利技术实施例制备的二维GaN的PL光谱图。
[0037]图5为本专利技术的实施例2设计得到的单层In
0.25
Ga
0.75
N原子结构示意图。
[0038]图6为本专利技术的实施例2设计得到的单层In
0.25
Ga
0.75
N能带结构图。
[0039]图7为本专利技术的实施例3设计得到的1
‑
5层二维InN带隙随层数变化的图像。...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于VASP软件的二维InGaN材料的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)对块体In
x
Ga1‑
x
N材料的原子结构模型进行几何优化；其中x＝0～1；所述几何优化采用HSE06杂化泛函处理电子的交换关联能；(2)构建二维In
x
Ga1‑
x
N材料的原子结构模型：从几何优化后的块体In
x
Ga1‑
x
N材料中沿c面切出表面，沿c轴方向添加真空层构建晶胞；在二维In
x
Ga1‑
x
N材料的表面添加赝氢原子，氢原子成键方向垂直于c轴；在生成的POSCAR文件中将与N原子和In/Ga原子相连的H原子分别设置为H1、H2，利用含0.75个电子和1.25个电子的H原子POTCAR文件生成POTCAR文件，并分别设置为H1、H2；(3)计算二维In
x
Ga1‑
x
N材料的能带结构：首先对二维In
x
Ga1‑
x
N材料的原子结构模型进行几何优化，接着通过单点能计算输出电荷分布情况，最后计算二维In
x
Ga1‑
x
N材料的能带结构，读取单点能计算输出的电荷分布情况；所述几何优化采用HSE06杂化泛函处理电子的交换关联能；所述单点能计算采用HSE06杂化泛函处理电子的交换关联能。2.根据权利要求1所述的基于VASP软件的二维InGaN材料的设计方法，其特征在于，步骤(1)所述块体In
x
Ga1‑
x
N材料的原子结构模型的构建过程如下：、从晶体数据库中获取纤锌矿结构InN和GaN的结构文件，并计算In
x
Ga1‑
x
N的晶格常数；当In
x
Ga1‑
x
N中x<0.5时，按照GaN中原子位置添加G...

【专利技术属性】
技术研发人员：王文樑，江弘胜，李国强，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：