CN107942270B - 一种利用计算机测定六方晶系金属氧化物磁性类型的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种利用计算机测定六方晶系金属氧化物磁性类型的方法，属于生态风险评价的定量结构与活性关系技术领域。本发明利用MS软件的Visualizer模块根据六方晶系金属氧化的晶格参数构建晶体模型；利用软件的Visualizer模块中的Build功能中的Symmetry将原始的单胞转化为菱形晶格的原胞；利用软件的Visualizer模块中的Modify功能，在electronic configuration中的formal spin沿着对角线对晶格中的金属原子设置磁性和磁矩；利用MS软件的Dmol3模块中Geometry Optimization功能进行量子力学结构优化处理，并用Dmol3模块中Energy功能计算不同磁性下金属氧化物的能量；最后利用MS软件Visualizer模块比较不同磁性条件下能量，确定金属氧化物的磁性种类。本发明方法具有计算迅速、操作简单、设备要求低，测定范围广、准确性较高的特点。
Description
技术领域
本发明涉及一种利用计算机测定六方晶系金属氧化物磁性类型的方法，属于生态风险评价的定量结构与活性关系技术领域。
背景技术
磁性是物质的基本属性之一。从微观粒子到宏观物体，乃至宇宙天体，都具有某种程度的磁性。磁性在工农业生产、日常生活和现代科学技术各个领域中有着重要的应用。磁性材料已经成为功能材料一个重要的分支。故研究物质磁性及其形成原理、探讨磁性材料的用途和开拓磁性材料新应用领域成为当代磁学的主要研究方法和内容。但是在应用磁性材料之前，了解磁性材料磁性的种类是很有必要的。宏观物质的磁性主要由电子的磁矩所决定的。宏观物质中的电子按其运动状态分为轨道电子和传导电子物质要测量磁性材料的性能首先要把待测材料制成式样并在试样上绕制线圈，然后根据材料的工作条件，测量它的直流或者交流磁特性。测量时要求样品内部磁场必须分布均匀。
在CGS单位制中，磁化强度M被定义为
M的单位为高斯(Gs)，H的单位为奥斯特(Oe)，χ也是无量纲的量。
在两种单位制中，χ在数值上有如下关系：χ(CGS)＝4πχ(MKSA).
质量磁化率(或称为磁化率)χmχm＝χ/ρ
根据的χ符号、量值以及量值随温度、磁场的变化关系，将物质分为7中不同的类型，而MKSA主要是由电流的磁性来定义。用该方法测定材料的磁性过程繁琐，且涉及的变量较多，计算结果误差较大。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，提供一种利用计算机测定六方晶系金属氧化物磁性类型的方法，本发明方法用计算的方法设定材料的磁性，并通过能量最低最稳定的原则通过Material Studio软件对材料的晶体进模拟，并且设定其可能磁性，以及对应的结构晶型的磁矩；选择合适的泛函和基组，以及对必要参数(Charge及spin)的设置，通过计算机计算每种磁性设置下能量的高低来最终确定材料的磁性种类。本发明方法计算迅速、操作简单、设备要求低，测定范围广、并且准确性较高。
一种利用计算机测定六方晶系金属氧化物磁性类型的方法，具体步骤为：
(1)利用量子化学软件Material Studios软件的Visualizer模块导出或根据六方晶系的晶胞参数画出六方晶系金属氧化物的晶胞结构；利用量子化学软件MaterialsStudios中的Dmol3模块中Geometry Optimization功能模块对晶胞进行量子力学结构优化处理得到六方晶格的优化晶胞结构；
(2)利用Material Studios软件的Visualizer模块中的Build功能模块将步骤(1)所得六方晶格的优化单胞转化为菱形晶格的原胞，然后取消原胞的对称性；
(3)利用软件的Visualizer模块中的Modify功能模块，在electronicconfiguration中的formal spin沿着对角线对步骤(2)所得菱形晶格中的金属原子设置磁性和磁矩；
(4)利用Materials Studios软件的Dmol3模块中Geometry Optimization功能模块对步骤(3)所得菱形晶胞结构进行量子力学结构优化处理，并用Dmol3模块中Energy功能模块计算不同磁性下金属氧化物的能量；
(5)利用Materials Studios软件的Visualizer模块对步骤(4)计算所得不同磁性下金属氧化物的能量进行提取并进行能量比较，能量最低的磁性设置即为六方晶系金属氧化物磁性类型；
所述量子力学结构优化处理为泛函选择GGA-PBE或LDA-PW91，基组选择DNP或DND，density mixing的charge为0.05～0.1，spin为0.5～0.8，smearing为0.001～0.005；
所述六方晶系金属氧化物为α-Al2O3、Ti2O3、V2O3、α-Fe2O3或Cr2O3；
所述步骤(3)中磁矩为-10～10。
本发明的有益效果：
本发明方法在已知六方晶系金属氧化物分子结构或者晶胞参数的基础上，通过对晶胞进行原包到单胞的结构转化变为菱形晶格，对菱形晶格尝试可能的磁性设置类型，对设置磁性的晶格晶型结构优化并且进行能量计算，通过对不同磁性设置下的能量大小的比较可以确定六方晶系金属氧化物的磁性类型，可快速、高效地预测六方晶系金属氧化物磁性；该方法简单、快捷、成本低，且能节省实验测试所需的人力、物力和财力；本发明的预测方法简明、易于程序化；具有明确的应用领域、良好的拟合能力、稳健性和预测能力。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步详细说明，但本发明的保护范围并不限于所述内容。
实施例1：预测六方晶体α-Fe2O3的磁性
一种利用计算机测定六方晶系金属氧化物磁性类型的方法，具体步骤为：
(1)查得α-Fe2O3的晶胞参数(a＝b＝5.035，c＝13.720，α＝β＝90°，γ＝120°)，利用量子化学软件Material Studios软件的Visualizer模块，根据六方晶系的晶胞参数画出六方晶系金属氧化物的晶胞结构；利用量子化学软件Materials Studio中的Dmol3模块中Geometry Optimization功能的对晶胞进行结构优化，结构优化时，泛函选择GGA-PBE，基组选择DNP，density mixing的charge设置成0.05，spin设置成0.5，smearing设置范围为0.001，优化到没有虚频；
(2)利用Material Studios软件的Visualizer模块中的Build功能模块将步骤(1)所得六方晶格的优化单胞转化为菱形晶格的原胞，然后取消原胞的对称性；
(3)利用软件的Visualizer模块中的Modify功能模块，在electronicconfiguration中的formal spin沿着对角线对步骤(2)所得菱形晶格中的金属原子设置磁性和磁矩；根据文献可知α-Fe2O3存在五种磁性，可设置成的磁性类型有：反铁磁性“up、up、down、down”，“up、down、up、down”，“up、down、down、up”，铁磁性“up、up、up、up”，无磁性。磁矩分别对应设置成反铁磁性“+5、+5、-5、-5”，“+5、-5、+5、-5”，“+5、-5、-5、+5”，铁磁性“+5、+5、+5、+5”，无磁性“0、0、0、0”；
(4)利用Materials Studios软件的Dmol3模块中Geometry Optimization功能模块对步骤(3)所得菱形晶胞结构进行量子力学结构优化处理，并用Dmol3模块中Energy功能模块计算不同磁性下金属氧化物的能量；结构优化时，泛函选择GGA-PBE,基组选择DNP，density mixing的charge设置成0.05，spin设置成0.5，smearing设置范围为0.001，优化到没有虚频；
(5)利用Materials Studios软件的Visualizer模块对步骤(4)计算所得不同磁性下金属氧化物的能量进行提取并进行能量比较，得到五种磁性条件下α-Fe2O3结构的能量如表1所示，
表1
| 磁性种类 | ↑↓↑↓ | ↑↑↓↓ | ↑↓↓↑ | ↑↑↑↑ | 无磁性 |
| 能量 | -5505.772011 | -5505.7720 | -5505.772023 | -5505.772012 | -5505.72011 |
注：“↑”和“↓”分别表示自旋向上和自旋向下；
从表1可知，当α-Fe2O3晶体磁性为反磁性时，且自旋方式为“up、down、down、up”时，对应的能量最低，结构也最稳定；根据文献查阅，本实施例中计算得到的α-Fe2O3晶体磁性为反磁性且自旋方式为“up、down、down、up”为能量最低的磁性设置即为六方晶系金属氧化物磁性类型与文献中实际的α-Fe2O3的磁性种类相符。
实施例2：预测六方晶体α-Al2O3的磁性
一种利用计算机测定六方晶系金属氧化物磁性类型的方法，具体步骤为：
(1)查得α-Al2O3的晶胞参数(a＝b＝4.759，c＝12.991，α＝β＝90°，γ＝120°)，利用量子化学软件Material Studios软件的Visualizer模块，根据六方晶系的晶胞参数画出六方晶系金属氧化物的晶胞结构；利用量子化学软件Materials Studios中的Dmol3模块中Geometry Optimization功能模块对晶胞进行量子力学结构优化处理得到六方晶格的优化晶胞结构；结构优化时，泛函选择GGA-PBE,基组选择DNP，density mixing的charge设置成0.06，spin设置成0.3，smearing设置范围为0.005，优化到没有虚频；
(2)利用Material Studios软件的Visualizer模块中的Build功能模块将步骤(1)所得六方晶格的优化单胞转化为菱形晶格的原胞，然后取消原胞的对称性；
(3)利用软件的Visualizer模块中的Modify功能模块，在electronicconfiguration中的formal spin沿着对角线对步骤(2)所得菱形晶格中的金属原子设置磁性和磁矩；根据文献可知α-Al2O3存在五种磁性，可设置成的磁性类型有：反铁磁性“up、up、down、down”，“up、down、up、down”，“up、down、down、up”，铁磁性“up、up、up、up”，无磁性；磁矩分别对应设置成反铁磁性“+3、+3、-3、-3”，“+3、-3、+3、-3”，“+3、-3、-3、+3”，铁磁性“+3、+3、+3、+3”，无磁性“0、0、0、0”；
(4)利用Materials Studios软件的Dmol3模块中Geometry Optimization功能模块对步骤(3)所得菱形晶胞结构进行量子力学结构优化处理，并用Dmol3模块中Energy功能模块计算不同磁性下金属氧化物的能量；结构优化时，泛函选择GGA-PBE,基组选择DNP，density mixing的charge设置成0.05，spin设置成0.5，smearing设置范围为0.001，优化到没有虚频；
(5)利用Materials Studios软件的Visualizer模块对步骤(4)计算所得不同磁性下金属氧化物的能量进行提取并进行能量比较，得到五种磁性条件下α-Al2O3结构的能量如表2所示，
表2
| 磁性种类 | ↑↓↑↓ | ↑↑↓↓ | ↑↓↓↑ | ↑↑↑↑ | 无磁性 |
| 能量 | -1415.106977 | -1415.106977 | -1415.106977 | -1415.106977 | -1415.106977 |
注：“↑”和“↓”分别表示自旋向上和自旋向下；
由表1可知，晶体的菱形晶格无论设置成何种磁性，对应各种条件下的能量保持不变，说明α-Al2O3是无磁性的；根据文献查阅，本实施例中计算得到的α-Al2O3无磁性与实际α-Al2O3的磁性种类相符。
实施例3：预测六方晶体Cr2O3的磁性
一种利用计算机测定六方晶系金属氧化物磁性类型的方法，具体步骤为：
(1)查得Cr2O3的晶胞参数(a＝b＝4.9589，c＝13.59308，α＝β＝90°，γ＝120°)，利用量子化学软件Material Studios软件的Visualizer模块，根据六方晶系的晶胞参数画出六方晶系金属氧化物的晶胞结构；利用量子化学软件Materials Studios中的Dmol3模块中Geometry Optimization功能模块对晶胞进行量子力学结构优化处理得到六方晶格的优化晶胞结构；结构优化时，泛函选择GGA-PBE,基组选择DNP，density mixing的charge设置成0.07，spin设置成0.8，smearing设置范围为0.002，优化到没有虚频；
(2)利用Material Studios软件的Visualizer模块中的Build功能模块将步骤(1)所得六方晶格的优化单胞转化为菱形晶格的原胞，然后取消原胞的对称性；
(3)利用软件的Visualizer模块中的Modify功能模块，在electronicconfiguration中的formal spin沿着对角线对步骤(2)所得菱形晶格中的金属原子设置磁性和磁矩；根据文献可知Cr2O3存在五种磁性，可设置成的磁性类型有：反铁磁性“up、up、down、down”，“up、down、up、down”，“up、down、down、up”，铁磁性“up、up、up、up”，无磁性。磁矩分别对应设置成反铁磁性“+6、+6、-6、-6”，“+6、-6、+6、-6”，“+6、-6、-6、+6”，铁磁性“+6、+6、+6、+6”，无磁性“0、0、0、0”；
(4)利用Materials Studios软件的Dmol3模块中Geometry Optimization功能模块对步骤(3)所得菱形晶胞结构进行量子力学结构优化处理，并用Dmol3模块中Energy功能模块计算不同磁性下金属氧化物的能量；结构优化时，泛函选择LDA-PWC,基组选择DNP，density mixing的charge设置成0.05，spin设置成0.5，smearing设置范围为0.002，优化到没有虚频
(5)利用Materials Studios软件的Visualizer模块对步骤(4)计算所得不同磁性下金属氧化物的能量进行提取并进行能量比较，得到五种磁性条件下Cr2O3结构的能量如表3所示，
表3
| 磁性种类 | ↑↓↑↓ | ↑↑↓↓ | ↑↓↓↑ | ↑↑↑↑ | 无磁性 |
| 能量 | -4618.266399 | -4618.265234 | -4618.265436 | -4618.266458 | -4618.266299 |
注：“↑”和“↓”分别表示自旋向上和自旋向下；
由表3可知，当Cr2O3晶体的菱形晶格设置成铁磁性时，且自旋方式为“up、up、up、up”时，对应的能量最低，结构也最稳定；根据文献查阅，本实施例中计算得到的Cr2O3晶体的菱形晶格设置成铁磁性且自旋方式为“up、up、up、up”的能量最低的磁性设置与实际Cr2O3的磁性种类相符。
Claims (3)
1.一种利用计算机测定六方晶系金属氧化物磁性类型的方法，其特征在于，具体步骤为：
(1)利用量子化学软件Material Studios软件的Visualizer模块导出或根据六方晶系的晶胞参数画出六方晶系金属氧化物的晶胞结构；利用量子化学软件Materials Studios中的Dmol3模块中Geometry Optimization功能模块对晶胞进行量子力学结构优化处理得到六方晶格的优化晶胞结构；其中量子力学结构优化处理为泛函选择GGA-PBE或LDA-PW91，基组选择DNP或DND，density mixing的charge为0.05～0.1，spin为0.5～0.8，smearing为0.001～0.005；
(2)利用Material Studios软件的Visualizer模块中的Build功能模块将步骤(1)所得六方晶格的优化晶胞转化为菱形晶格的原胞，然后取消原胞的对称性；
(3)利用软件的Visualizer模块中的Modify功能模块，在electronicconfiguration中的formalspin沿着对角线对步骤(2)所得菱形晶格中的金属原子设置磁性和磁矩；
(4)利用Materials Studios软件的Dmol3模块中Geometry Optimization功能模块对步骤(3)所得菱形晶格结构进行量子力学结构优化处理，并用Dmol3模块中Energy功能模块计算不同磁性下金属氧化物的能量；
(5)利用Materials Studios软件的Visualizer模块对步骤(4)计算所得不同磁性下金属氧化物的能量进行提取并进行能量比较，能量最低的磁性设置即为六方晶系金属氧化物磁性类型。
2.根据权利要求1所述利用计算机测定六方晶系金属氧化物磁性类型的方法，其特征在于：六方晶系金属氧化物为α-Al2O3、Ti2O3、V2O3、α-Fe2O3或Cr2O3。
3.根据权利要求1所述利用计算机测定六方晶系金属氧化物磁性类型的方法，其特征在于：步骤(3)中磁矩为-10～10。
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