基于第一性原理计算设计二维蜂巢状kagome狄拉克半金属结构及其性质表征的方法技术

本发明专利技术涉及一种基于第一性原理计算设计二维蜂巢状kagome狄拉克半金属结构及其性质表征的方法，并使用基于密度泛函理论的维也纳从头模拟包进行第一性原理研究，以单层石墨烯原胞为基础，将第四主族原子X替换原始碳原子，并在原始的X－X原子之间线性插入第二副族原子M，在同一平面内以单键连接为六元环结构制备得到二维单层蜂窝状狄拉克锥材料，从微观尺度将理论计算与实验结合，探究狄拉克锥形成机制，同时研究了其保持狄拉克锥性质的晶格畸变范围，以确保半金属性，同时还构建了以相似结构六方SiC为衬底的异质结M3X2/SiC，通过计算的能带结构，电子局域函数及相互作用能分析了实验制备狄拉克锥材料的可行性。实验制备狄拉克锥材料的可行性。实验制备狄拉克锥材料的可行性。

【技术实现步骤摘要】
基于第一性原理计算设计二维蜂巢状kagome狄拉克半金属结构及其性质表征的方法


[0001]本专利技术涉及新材料
，特别是一种基于第一性原理计算设计二维蜂巢状kagome狄拉克半金属M3X2结构及其性质表征的方法，属于狄拉克材料制备


技术介绍

[0003]狄拉克锥是一种独特的能带结构，其能带中的价带和导带在费米能级处相交。展现出能量与动量的线性色散关系。由于这种能带结构满足描述相对论粒子能量动量关系的狄拉克方程，因此被称为狄拉克锥。狄拉克锥能带描述的电子，是一种静止有效质量近乎为零的粒子，其行为类似于光子。研究发现，具有狄拉克锥能带结构的材料，具有许多优异的物理性质，比如弹道电荷输运、超高载流子迁移率和量子霍尔效应等。到目前为止，虽然已经预测了大量的狄拉克锥材料，但除了石墨烯、硅烯、锗烯和硼磷烯等外，很少能通过实验合成，这阻碍了狄拉克锥材料在纳米电子器件中的应用。有必要设计新型狄拉克锥材料并探究在合适的衬底上的合成可行性。
[0004]由于实验条件的苛刻及不确定性，发现新型狄拉克锥材料将是一个复杂而漫长的过程。而理论计算可以通过仿真设计一种新材料，并通过计算预测其动力学稳定性，电子性质，保持狄拉克锥性质的晶格畸变范围及在合适衬底上的性质，缩短实验试错周期。
[0005]本专利技术提供一种二维单层狄拉克锥材料的设计及性能表征方法，通过动力学稳定性，电子性质，保持狄拉克锥性质的晶格畸变范围及寻找合适的衬底，来实现狄拉克锥材料的制备。
[0006]本专利技术通过以下技术方案实现。r/>[0007]一种基于第一性原理计算的二维单层狄拉克锥材料材料设计和表征方法:
[0008]方法包括模型构建，计算模拟，结果分析与处理。
[0009]1.模型构建
[0010]以单层石墨烯原胞为基础，将第四主族原子与第二副族原子在平面内链接为六元环结构得到二维单层狄拉克锥材料，具体步骤如下：
[0011]步骤1、将原有单层石墨烯单胞成键类型改为单键
[0012]步骤2、扩大晶格常数后将碳原子替换为第四主族原子X＝Si,Ge
[0013]步骤3、在X
‑
X原子两两之间的位置加入第二副族原子M＝Zn,Ge,Hg
[0014]步骤5、将设计的材料单胞扩大至3
×
3倍的超胞
[0015]步骤6、将步骤3得到的材料单胞进行优化得到二维单层狄拉克锥材料M3X2。
[0016]2.计算模拟
[0017]①
结构优化：选择合适的输入文件，用维也纳从头模拟包对步骤3得到的材料进行充分的优化弛豫。
[0018]②
静态自洽：将优化后的结构文件CONTCAR继续进行静态自洽计算得到其波函数及电荷密度数据文件，并计算了各组成元素相关的能量及单层的能量由此得到内聚能。
[0019]③
电子性质及晶格畸变下电子性质的计算：利用静态自洽得到的电荷密度及波函数，计算其电子性质，包括电子态密度，能带结构，导带CBM,价带VBM，电荷密度。
[0020]结果处理与分析:
[0021]提取静态自洽里计算得到的各组成元素的能量及单层能量，通过公式计算其内聚能，分析其能量稳定性。同时采用VESTA软件绘制电子局域函数，差分电荷密度，分析电子得失来判断其成键性质。
[0022]绘制部分电荷密度图，态密度图，能带结构图，三维能带图分析电子结构特征，揭示狄拉克锥的形成机制。
[0023]重复上述步骤计算不同晶格畸变下材料的电子性质来探究材料的狄拉克锥半金属稳定度。
[0024]步骤7、利用Materials Studio软件构建异质结，通过VASP对异质结优化后的结构文件进行基于平面波方法密度泛函理论的VASP模拟软件包的第一性原理电子结构计算并进行相互作用能，电子局域函数计算，用以表征异质结晶体的能量稳定性以及电子性质。
[0025]本专利技术的有益效果是：从微观尺度将理论计算与实验相结合，通过构建模型，采用理论模拟的方法能够深入原子量级对复杂体系进行研究，以石墨烯为结构原型，构建新型二维单层狄拉克锥材料的结构。并计算了其保持狄拉克半金属性质的晶格畸变范围，同时通过电子结构及相互作用能研究了在衬底生长的可行性。采用理论模拟的方法不但操作简单、成本低、准确性高且重复性好，为后续的实验研究提供有价值的理论研究支持。
附图说明
[0027]图1是具体研究的技术路线流程图。
[0028]图2是本专利技术碳碳键调整为单键的单层石墨烯原胞的结构图；
[0029]图3是本专利技术将其晶格常数扩大后用第四主族原子替换单层石墨烯碳原子后的结构示意图；
[0030]图4是本专利技术在第四主族原子两两之间加入第二副族原子后的结构示意图；
[0031]图5是本专利技术将构建的结构原胞与单层石墨烯原胞扩大3
×
3倍后的结构示意图；
[0032]图6是本专利技术构建的结构参数及电子性质参数示意图；
[0033]图7是本专利技术结构优化后进行第一性原理计算的三维电子能带图；
[0034]图8是本专利技术进行第一性原理计算后的电子投影态密度图；
[0035]图9是本专利技术优化后的二维单层蜂窝状kagome狄拉克锥材料的声子谱及相关投影态密度图；
[0036]图10是本专利技术进行第一性原理后的电子局域函数及部分电荷密度图；
[0037]图11，12是本专利技术对单层原胞实施不同双轴晶格畸变后的电子能带图；
[0038]图13是本专利技术构建的异质结结构示意图；
[0039]图14是本专利技术对构建的异质结进行第一性原理计算的电子能带图；
[0040]图15是本专利技术构建的异质结的电子局域函数图；
[0041]具体实施
[0042]下面结合附图和具体实施方式，对本专利技术作进一步说明。
[0043]1.模型构建
[0044]以石墨烯单层原胞为基础，将第四主族原子X与第二副族原子M在平面内以单键结合为六元环平面结构设计得到二维单层狄拉克锥材料模型。
[0045]步骤1、在Material Studio软件中，导入石墨结构，取消对称性，删除其中的一层，将其移到中间位置并再次寻找对称性以此来保证其空间群类型不变，得到石墨烯单层原胞，最后将其成键类型改为单键。
[0046]步骤2、扩大晶格常数后将碳原子替换成第四主族原子X＝Si,Ge。并在替换后的X
‑
X原子之间线性插入第二副族原子M＝Zn,Ge,Hg。
[0047]2.计算模拟
[0048]步骤3、
①
结构优化：选择合适的输入文件，用VASP对步骤2得到的几何结构材料进行充分的优化弛豫。
[0049]步骤4、优化后的结构参数:
[0050]空间群P6/MMM，D6H
‑1[0051]晶格常数:
[0052]原子的Direct坐标：
[0053]0.0000本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于第一性原理计算设计二维模拟蜂巢状kagome狄拉克半金属结构及其性质表征的方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤S1：利用Material Studio软件构建单层石墨烯原胞，将其成键调整为单键，扩大晶格常数后用第四主族原子X＝Si,Ge替换其中的碳原子，将第二副族原子M＝Zn,Ge,Hg线性插入X
‑
X之间，完成结构的初步构建并将其导出为CIF晶体结构数据文件，借助VESTA软件将结构数据文件类型转为.vasp文件格式；步骤S2:通过PAW平面波赝势文件获取原子特性信息，对初步构建的狄拉克锥材料进行第一性原理结构优化及动力学稳定性计算；步骤S3：通过Material Studio，VESTA，VASPKIT等软件对结构进行晶格畸变，并用VASP进行电子性质的计算，探究其保持狄拉克锥性质的晶格畸变范围。步骤S4：利用MS软件对进行异质结的初步构建，借助VESTA软件将结构数据文件类型转为.vasp文件格式。对构建的异质结进行第一性原理结构优化计算，优化计算的输出文件中的CONTCAR，OUTCAR文件得到稳定的晶体结构信息包括原子坐标以及晶格体系自由能值；步骤S5：对优化后的结构即CONTCAR文件进行第一性原理的电子结构计算，用以表征异质结晶体的电学性能及电子局域函数,相互作用能。2.根据权利要求1所述的基于第一性原理计算设计二维模拟蜂巢状kagome狄拉克半金属结构及其性质表征的方法，其特征在于：步骤S4中所述利用MS软件对不同晶体结构进行异质结构建的具体内容为：异质结构初步构建是通过VESTA软...

【专利技术属性】
技术研发人员：闫翠霞，李秋阳，齐晨晨，邱什，杨婷，蔡金明，
申请(专利权)人：昆明理工大学，
类型：发明
国别省市：