CN106446493B - 单斜相二氧化钒材料点缺陷形成能的高通量模拟方法 - Google Patents

单斜相二氧化钒材料点缺陷形成能的高通量模拟方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种单斜相二氧化钒材料点缺陷形成能的高通量模拟方法包括以下步骤：S1，单斜相二氧化钒点缺陷模型的构建；S2，缺陷形成能的计算模拟；S3，结果处理与分析。本发明明确了二氧化钒本征点缺陷与氧分压的关系，通过高通量模拟表征点缺陷的原子微结构和电子行为，对增强VO2薄膜的抗氧化能力、提高可见光透过率，调控VO2的金属绝缘体转变温度有重要意义，为智能窗的实际应用起到积极作用。

Description

单斜相二氧化钒材料点缺陷形成能的高通量模拟方法
技术领域
本发明属于无机功能材料分析表征领域，特别是涉及一种单斜相二氧化钒材料点缺陷形成能的高通量模拟方法。
背景技术
二氧化钒是一种备受关注的热致变色材料，具有结构简单、使用过程零能耗、对温度自动响应等优点，成为智能窗表面薄膜材料的重要研究对象。在室温下二氧化钒是绝缘体，属于单斜晶系，当温度升高到68℃时，二氧化钒在若干飞秒内迅速发生金属-绝缘体转变，对应的晶体结构由单斜晶系转变成四方晶系。发生金属-绝缘体转变后，二氧化钒由对近红外光的透射状态转变为反射状态，但对可见光的透射状态没有明显变化，不影响视觉效果和采光。
单斜相二氧化钒材料点缺陷种类和浓度是影响其作为智能窗表面薄膜的关键因素。为了调控二氧化钒材料点缺陷种类和浓度，改善VO2薄膜的性能，过去三十年中研究了许多方法，例如通过掺杂改变VO2的能带结构，控制VO2晶粒尺寸和薄膜微观形貌，设计VO2基复合材料，调整VO2制备过程的氧分压等。单斜相二氧化钒材料本征点缺陷种类繁多，价态不一，其浓度更是受到外界多种因素的影响，因此需要高通量的模拟表征方法。通过高通量模拟表征点缺陷的原子微结构和电子行为，对增强VO2薄膜的抗氧化能力、提高可见光透过率，调控VO2的金属-绝缘体转变温度有重要意义，为智能窗的实际应用起到积极作用。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种单斜相二氧化钒材料点缺陷形成能的高通量模拟方法，其明确了二氧化钒本征点缺陷与氧分压的关系，通过高通量模拟表征点缺陷的原子微结构和电子行为，对增强VO2薄膜的抗氧化能力、提高可见光透过率，调控VO2的金属绝缘体转变温度有重要意义，为智能窗的实际应用起到积极作用。
本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题的：一种单斜相二氧化钒材料点缺陷形成能的高通量模拟方法，其特征在于，其包括以下步骤：
S1，单斜相二氧化钒点缺陷模型的构建：利用晶体结构可视化软件构建二氧化钒超胞模型，并借助该晶体结构可视化软件将二氧化钒超胞模型转换为三维原子坐标文件；
S2，缺陷形成能的计算模拟：设置输入文件，进行结构优化，生成稳定结构的三维原子坐标文件，并将其重命名后作为静态自洽计算的输入文件；静态自洽计算，生成电荷密度数据文件；在静态自洽计算的基础上，设置输入参数，进行电子特性计算；分析计算得到的最优化结构，得到点缺陷形成能；
S3，结果处理与分析：通过晶体结构可视化软件显示优化后体系结构，分析晶格常数及键长键角的变化；绘制电荷密度图、态密度图和能带结构图，分析点缺陷形成能；分析体积及能量，为智能窗的设计提供理论指导。
优选地，所述晶体结构可视化软件为Materials Studio软件，电子特性计算的计算软件为VASP软件。
优选地，所述电子特性计算的计算流程为首先进行结构优化，然后静态自洽计算，在生成的电荷密度数据文件的基础上进行特性计算。
优选地，所述单斜相二氧化钒材料点缺陷形成能的高通量模拟方法采用筛选方法，筛选方法是基于密度泛函的第一性原理计算，筛选对象是单斜相二氧化钒的本征点缺陷。
优选地，所述单斜相二氧化钒点缺陷模型的收敛性并非一致。
优选地，所述电子特性计算以氧分压的高低为变量，考察该变量对单斜相二氧化钒本征点缺陷的影响。
优选地，所述单斜相二氧化钒材料点缺陷形成能的高通量模拟方法对离子实和价电子的相互作用采用缀加平面波方法来描述，交换关联泛函采用广义梯度近似中的Perdew-Burke-Ernzerhof (PBE)方法，平面波截断能为520 eV，离子步的能量收敛标准为0.01 eV/Å。
优选地，所述单斜相二氧化钒材料点缺陷形成能的高通量模拟方法进行结构优化在计算时以Monkhorst-Pack方法产生k点，结构优化时k点设置为3×3×2。
优选地，所述能带结构图是在KPOINTS输入文件中设置Line模式；INCAR文件中ISTART设置为1，ICHARG设置为11，并在自洽电荷密度基础上进行计算和分析。
本发明的积极进步效果在于：
（1）本发明基于第一性原理计算，它只需要知道构成单斜相二氧化钒体系的各元素种类和基本晶体结构信息，不需要其它参数就可以计算出体系的原子结构、电子结构、总能量等信息；
（2）本发明通过计算揭示单斜相二氧化钒本征点缺陷的变化规律，能够对实验研究进行必要补充，还能为新材料的制备提供理论指导和设计依据；
（3）本发采用高通量的计算模拟方法，无需投入除了计算机之外的实验设备和原材料，大大降低费用，且效率高、过程易控制。
附图说明
图1为实施方法的输入文件的示意图。
图2（a）、图2（b）、图2（c）、图2（d）、图2（e）、图2（f）为本发明的六大类本征点缺陷示意图。
图3（a）、图3（b）分别表示电中性点缺陷和带电点缺陷的具体测试数据的示意图。
图4（a）、图4（b）为本发明的氧分压对本征点缺陷形成能的影像图。
具体实施方式
下面结合附图给出本发明较佳实施例，以详细说明本发明的技术方案。
本发明单斜相二氧化钒材料点缺陷形成能的高通量模拟方法包括以下步骤：
S1，单斜相二氧化钒点缺陷模型的构建：利用晶体结构可视化软件构建二氧化钒超胞模型，并借助该晶体结构可视化软件将二氧化钒超胞模型转换为三维原子坐标文件；
S2，缺陷形成能的计算模拟：设置输入文件，进行结构优化，生成稳定结构的三维原子坐标文件，并将其重命名后作为静态自洽计算的输入文件；静态自洽计算，生成电荷密度数据文件；在静态自洽计算的基础上，设置输入参数，进行电子特性（态密度和能带结构）计算；分析计算得到的最优化结构，得到点缺陷形成能；
S3，结果处理与分析：通过晶体结构可视化软件显示优化后体系结构，分析晶格常数及键长键角的变化；绘制电荷密度图、态密度图和能带结构图，分析点缺陷形成能；分析体积及能量，为智能窗的设计提供理论指导。
所述晶体结构可视化软件为Materials Studio软件，电子特性计算的计算软件为VASP（Vienna Ab-initio Simulation Package）软件，方便操作，提高准确性。
所述电子特性计算的计算流程为首先进行结构优化，然后静态自洽计算，在生成的电荷密度数据文件的基础上进行特性计算，以达到模型结构的最低能量，保证各个特性计算的正确性，避免体系物理特性的突变。
所述单斜相二氧化钒材料点缺陷形成能的高通量模拟方法采用筛选方法，筛选方法是基于密度泛函的第一性原理计算，筛选对象是单斜相二氧化钒的本征点缺陷，有利于提高筛选的科学性。
所述单斜相二氧化钒点缺陷模型的收敛性并非一致，可根据实际情况自行设置，方便使用。
所述电子特性计算以氧分压的高低为变量，考察该变量对单斜相二氧化钒本征点缺陷的影响，提高了计算效率。
所述单斜相二氧化钒材料点缺陷形成能的高通量模拟方法对离子实和价电子的相互作用采用缀加平面波方法来描述，交换关联泛函采用广义梯度近似中的Perdew-Burke-Ernzerhof方法，平面波截断能为520 eV，离子步的能量收敛标准为0.01 eV/Å，保证体系的计算结果在可控的计算量内达到足够的计算精度。
所述单斜相二氧化钒材料点缺陷形成能的高通量模拟方法进行结构优化在计算时以Monkhorst-Pack方法产生k点，结构优化时k点设置为3×3×2，该方法可以简单快捷地产生网格点，同时避开特殊点，提高计算效率。
所述能带结构图是在KPOINTS输入文件中设置Line模式；INCAR文件中ISTART设置为1，ICHARG设置为11，并在自洽电荷密度基础上进行计算和分析，该方法可以自动在起点和终点之间插入指定的k点数，提高计算精度。
本发明的特点如下：（1）高通量筛选单斜相二氧化钒的本征点缺陷种类，基于密度泛函的第一性原理计算方法，对单斜相二氧化钒晶体结构进行几何优化。采用数据手册读取的相关数据编写计算输入文件。高通量筛选出若干大类数十种点缺陷。（2）高通量测试模型的收敛性，构建若干种不同大小的模型，在每一种模型中设置已经筛选出的数十种点缺陷，对模型的收敛性进行测试。在测试时确定参与计算的价态电子，选取一定的平面波截止能量、K网格大小，同时设置原子间相互作用力的收敛标准和能量的收敛标准。（3）高通量计算不同氧分压对单斜相二氧化钒本征点缺陷的影响。分别在贫氧和富氧条件下对数十种点缺陷的形成能进行高通量计算，对于每一种缺陷，需要考虑费米面所处的两种不同位置，一种是费米面处于导带底，另一种是费米面处于价带顶。
从数据手册读取的二氧化钒单斜相的相关数据，编写计算输入文件，如图1所示。相关数据如附表1所示。高通量筛选出6大类合计28种点缺陷，其中代表性缺陷，图2 (a) 表示两种氧空位，图2 (b) 表示钒空位，图2 (c) 表示两种氧间隙，图2 (d) 表示钒八面体间隙和四面体间隙，图2 (e) 表示氧反占位，图2 (f) 表示两种钒反占位。构建2×2×2、2×2×3、3×3×3这三种不同大小的模型，在每一种模型中设置6大类合计28种点缺陷，对模型的高通量收敛性进行测试。在测试时平面波截止能量取520 eV，K网格大小为4×4×4，原子间相互作用力的收敛标准是0.005 eV/nm，能量的收敛标准是2.0×10-5 eV/atom。参与计算的价态电子O为2s22p4，V为3d34s2。电中性点缺陷和带电点缺陷的具体测试数据分别如图3(a)和3 (b) 所示。分别在贫氧和富氧条件下对28种缺陷的缺陷形成能进行高通量计算。对于每一种缺陷，需要考虑费米面所处的两种不同位置，一种是费米面处于导带底，此时费米能为0，另一种是费米面处于价带顶，此时费米能为0.69。缺陷形成能的计算数据如表2所示。缺陷形成能随氧分压的变化如图4（a）、（b）所示。
表1 单斜相二氧化钒晶体结构数据
晶格常数 <i>a</i> (Å) <i>b</i> (Å) <i>c</i> (Å) <i>α</i> (°) <i>β</i> (°) <i>γ</i> (°) 内部参数
数据 5.743 4.517 5.375 90 122.61 90 V (4e): 0.242 0.975 0.025 O1(4e):0.100 0.210 0.200 O2(4e):0.390 0.690 0.290
表2 单斜相二氧化钒本征点缺陷的形成能
首先，考察每种缺陷的可能价态，并带入二氧化钒点缺陷模型中进行高通量模拟计算，摒弃不符合能量最低原则的缺陷价态。其次，利用基于密度泛函的第一性原理计算，对二氧化钒点缺陷模型的大小进行高通量筛选，确定并验证该模型的准确性和稳定性。再次，分析富氧和贫氧条件下点缺陷的形成能变化，并考察其原子微结构和电子行为对二氧化钒热致变色性能的影响。本发明明确了二氧化钒本征点缺陷与氧分压的关系，通过高通量模拟表征点缺陷的原子微结构和电子行为，对增强VO2薄膜的抗氧化能力、提高可见光透过率，调控VO2的金属-绝缘体转变温度有重要意义，为智能窗的实际应用起到积极作用。筛选方法是基于密度泛函的第一性原理计算，筛选对象是单斜相二氧化钒的本征点缺陷。测试模型大小的收敛性，以氧分压的高低为变量，考察该变量对单斜相二氧化钒本征点缺陷的影响。
本发明通过考察单斜相二氧化钒材料可能产生的点缺陷种类，设置每种缺陷的可能价态，构建二氧化钒点缺陷模型进行高通量模拟计算，摒弃不符合能量最低原则的缺陷价态。利用基于密度泛函的第一性原理计算，对二氧化钒点缺陷模型的大小进行高通量筛选，确定并验证该模型的准确性和稳定性。分析富氧和贫氧条件下点缺陷的形成能变化，并考察其原子微结构和电子行为对二氧化钒热致变色性能的影响。本发明明确了二氧化钒本征点缺陷与氧分压的关系，通过高通量模拟表征点缺陷的原子微结构和电子行为，对增强VO2薄膜的抗氧化能力、提高可见光透过率，调控VO2的金属绝缘体转变温度有重要意义，为智能窗的实际应用起到积极作用。
以上所述的具体实施例，对本发明的解决的技术问题、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种单斜相二氧化钒材料点缺陷形成能的高通量模拟方法，其特征在于，所述单斜相二氧化钒材料点缺陷形成能的高通量模拟方法包括以下步骤：
S1，单斜相二氧化钒点缺陷模型的构建：利用晶体结构可视化软件构建二氧化钒超胞模型，并借助该晶体结构可视化软件将二氧化钒超胞模型转换为三维原子坐标文件；
S2，缺陷形成能的计算模拟：设置点缺陷输入文件，进行结构优化，生成稳定结构的三维原子坐标文件，并将其重命名后作为静态自洽计算的输入文件；静态自洽计算，生成电荷密度数据文件；在静态自洽计算的基础上，设置输入参数，进行电子特性计算；分析计算得到的最优化结构，得到点缺陷形成能；
S3，结果处理与分析：通过晶体结构可视化软件显示优化后体系结构，分析晶格常数及键长键角的变化；绘制电荷密度图、态密度图和能带结构图，分析点缺陷形成能；分析体积及能量，为智能窗的设计提供理论指导；
所述电子特性计算的计算流程为首先进行结构优化，然后静态自洽计算，在生成的电荷密度数据文件的基础上进行特性计算；
所述单斜相二氧化钒材料点缺陷形成能的高通量模拟方法采用筛选方法，筛选方法是基于密度泛函的第一性原理计算，筛选对象是单斜相二氧化钒的本征点缺陷。
2.如权利要求1所述的单斜相二氧化钒材料点缺陷形成能的高通量模拟方法，其特征在于，所述晶体结构可视化软件为Materials Studio软件，电子特性计算的计算软件为VASP软件。
3.如权利要求1所述的单斜相二氧化钒材料点缺陷形成能的高通量模拟方法，其特征在于，所述单斜相二氧化钒点缺陷模型的收敛性并非一致。
4.如权利要求1所述的单斜相二氧化钒材料点缺陷形成能的高通量模拟方法，其特征在于，所述电子特性计算以氧分压的高低为变量，考察该变量对单斜相二氧化钒本征点缺陷的影响。
5.如权利要求1所述的单斜相二氧化钒材料点缺陷形成能的高通量模拟方法，其特征在于，所述单斜相二氧化钒材料点缺陷形成能的高通量模拟方法对离子实和价电子的相互作用采用缀加平面波方法来描述，交换关联泛函采用广义梯度近似中的Perdew-Burke-Ernzerhof方法，平面波截断能为520eV，离子步的能量收敛标准为
6.如权利要求1所述的单斜相二氧化钒材料点缺陷形成能的高通量模拟方法，其特征在于，所述单斜相二氧化钒材料点缺陷形成能的高通量模拟方法进行结构优化在计算时以Monkhorst-Pack方法产生k点，结构优化时k点设置为3×3×2。
7.如权利要求1所述的单斜相二氧化钒材料点缺陷形成能的高通量模拟方法，其特征在于，所述能带结构图是在KPOINTS输入文件中设置Line模式；INCAR文件中ISTART设置为1，ICHARG设置为11，并在自洽电荷密度基础上进行计算和分析。
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