CN110990992B - 获取合金材料原胞电子结构的方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明是关于获取合金材料原胞电子结构的方法及装置。该方法包括：获取所述合金材料的超胞的物理参数；根据所述超胞的物理参数，构建所述超胞的瓦尼尔函数；修改所述超胞的瓦尼尔函数，重组所述超胞的电子波函数；根据所述超胞的电子波函数，获得所述超胞与原胞能带结构之间的转换权重参数，利用所述转换权重参数，描述出所述原胞的电子结构。通过本发明的技术方案，可利用合金材料超胞的结构还原出其初始原胞真实、干净的电子结构，从而便于全面、准确地把握合金材料电子结构特征，为材料的研究和调控提供理论参考，避免利用超胞结构直接做研究时由于电子结构的复杂而导致对所研究合金材料分析困难和理解偏差。

Description

获取合金材料原胞电子结构的方法及装置
技术领域
本发明涉及物理学技术领域，尤其涉及获取合金材料原胞电子结构的方法及装置。
背景技术
目前，实验上研究的合金材料通常都是具有一定大小的样品，样品的大小对应于合金材料的超晶胞结构，它往往是初始原胞大小的数十倍以上。虽然通过计算超胞得到的能带结构可以与视角结果直接对比，但是它把材料的对称性等特征隐藏了起来，相对于初始原胞，超胞的能带交叉严重，能带形状也破坏，很难全面、准确、毫无遗漏地把握合金材料电子结构特征，因而如何利用合金材料的超胞结构准确把握合金材料的电子结构特征成为亟待解决的问题。
发明内容
本发明实施例提供了获取合金材料原胞电子结构的方法及装置。所述技术方案如下：
根据本发明实施例的第一方面，提供一种获取合金材料原胞电子结构的方法，包括：
获取所述合金材料的超胞的物理参数；
根据所述超胞的物理参数，构建所述超胞的瓦尼尔函数；
修改所述超胞的瓦尼尔函数，重组所述超胞的电子波函数；
根据所述超胞的电子波函数，获得所述超胞与原胞能带结构之间的转换权重参数，利用所述转换权重参数，描述出所述原胞的电子结构。
在一个实施例中，所述获取所述合金材料的超胞的物理参数，包括：
获取所述合金材料中所述超胞的TB模型参数、瓦尼尔中心位置和所述超胞的晶格参数。
在一个实施例中，所述方法还包括：
修改所述超胞的瓦尼尔函数，直至修改后的所述超胞的各原子轨道的瓦尼尔函数与所述超胞的权重能带匹配。
在一个实施例中，所述根据所述超胞的电子波函数，获得所述超胞与原胞之间的转换权重参数，利用所述转换权重参数，描述出所述原胞的电子结构，包括：
根据所述超胞的电子波函数，获得所述超胞的电子结构；
根据所述超胞的电子结构，获取所述超胞当前的k点与初始k点之间的距离、k点相应的能量以及最近邻高对称k点线间边界；
根据所述超胞的所述当前的k点与所述初始k点之间的距离、k点相应的能量以及最近邻高对称k点线间边界，构建相应原胞k点；
利用所述超胞的瓦尼尔函数，所述原胞的k点和晶格常数，计算所述超胞布里渊区中能带在原胞的布里渊区中的转换权重参数，获得所述原胞的电子结构。
根据本发明实施例的第二方面，提供一种获取合金材料原胞电子结构的装置，包括：
获取模块，用于获取所述合金材料的超胞的物理参数；
构建模块，用于根据所述超胞的物理参数，构建所述超胞的瓦尼尔函数；
第一处理模块，用于修改所述超胞的瓦尼尔函数，重组所述超胞的电子波函数；
第二处理模块，用于根据所述超胞的电子波函数，获得所述超胞与原胞能带结构之间的转换权重参数，利用所述转换权重参数，描述出所述原胞的电子结构。
在一个实施例中，所述获取模块包括：
第一获取子模块，用于获取所述合金材料中所述超胞的TB模型参数、瓦尼尔中心位置和所述超胞的晶格参数。
在一个实施例中，所述装置还包括：
修改模块，用于修改所述超胞的瓦尼尔函数，直至修改后的所述超胞的各原子轨道的瓦尼尔函数与所述超胞的权重能带匹配。
在一个实施例中，所述第二处理模块包括：
第二获取子模块，用于根据所述超胞的电子波函数，获得所述超胞的电子结构；
第三获取子模块，用于根据所述超胞的电子结构，获取所述超胞当前的k点与初始k点之间的距离、k点相应的能量以及最近邻高对称k点线间边界；
构建子模块，用于根据所述超胞的所述当前的k点与所述初始k点之间的距离、k点相应的能量以及最近邻高对称k点线间边界，构建相应原胞k点；
处理子模块，用于利用所述超胞的瓦尼尔函数，所述原胞的k点和晶格常数，计算所述超胞布里渊区中能带在原胞的布里渊区中的转换权重参数，获得所述原胞的电子结构。
本发明的实施例提供的技术方案可以包括以下有益效果：
通过获取合金材料的超胞的物理参数，可基于超胞的物理参数构建超胞的瓦尼尔函数，然后修改超胞的瓦尼尔函数，可重组获得所述超胞的电子波函数，进而根据该超胞的电子波函数，可获得超胞与原胞能带结构之间的转换权重参数，最后利用所述转换权重参数，可还原出原胞的电子结构即利用合金材料的超胞的结构还原出其初始原胞真实、干净的电子结构，从而便于全面、准确地把握合金材料电子结构特征，为材料的研究和调控提供理论参考，避免利用超胞结构直接做研究时由于电子结构的复杂而导致对所研究合金材料分析困难和理解偏差。
应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本发明。
附图说明
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。
图1是根据一示例性实施例示出的一种获取合金材料原胞电子结构的方法的流程图。
图2是根据一示例性实施例示出的一种反折叠权重的计算流程图。
图3是根据一示例性实施例示出的一种获取合金材料原胞电子结构的装置的框图。
具体实施方式
这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本发明相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本发明的一些方面相一致的装置和方法的例子。
为了解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种获取合金材料原胞电子结构的方法，该方法可用于获取合金材料原胞电子结构的程序、系统或装置中，且该方法对应的执行主体可以是终端或服务器，如图1所示，该方法包括步骤S101至步骤S105：
步骤S101中，获取所述合金材料的超胞的物理参数；
物理参数用于表征超胞的物理特征，如超胞的材料结构，原子构成等。
步骤S102中，根据所述超胞的物理参数，构建所述超胞的瓦尼尔函数；
瓦尼尔函数即原子轨道的Wannier函数。
步骤S103中，修改所述超胞的瓦尼尔函数，重组所述超胞的电子波函数；
电子波函数即能带结构中特定K点的波函数。
步骤S104中，根据所述超胞的电子波函数，获得所述超胞与原胞能带结构之间的转换权重参数，利用所述转换权重参数，描述出所述原胞的电子结构。该转换权重参数是超胞能带对应于原胞能带的权重，可表征对每个k点处对应能量做的一个加权。
通过获取合金材料的超胞的物理参数，可基于超胞的物理参数构建超胞的瓦尼尔函数，然后修改超胞的瓦尼尔函数，可重组获得所述超胞的电子波函数，进而根据该超胞的电子波函数，可获得超胞与原胞能带结构之间的转换权重参数，最后利用所述转换权重参数，可还原出原胞的电子结构即利用合金材料的超胞的结构还原出其初始原胞真实、干净的电子结构，从而便于全面、准确地把握合金材料电子结构特征，为材料的研究和调控提供理论参考，避免利用超胞结构直接做研究时由于电子结构的复杂而导致对所研究合金材料分析困难和理解偏差。
在一个实施例中，所述获取所述合金材料的超胞的物理参数，包括：
获取所述合金材料中所述超胞的TB模型(即紧束缚模型，Tight Banding Model)参数、瓦尼尔中心位置和所述超胞的晶格参数，其中，超胞的晶格参数是晶体学中用来描述超胞晶胞大小与形状的几何参数，即它规定了超胞的结构、元素构成等。
在一个实施例中，所述方法还包括：
修改所述超胞的瓦尼尔函数，直至修改后的所述超胞的各原子轨道的瓦尼尔函数与所述超胞的权重能带匹配。
基于超胞的物理参数获得的最初的瓦尼尔函数可能不太准确，与权重能带中表征的参数可能不太一致，不能准确反映超胞的特征，因而，可通过修改超胞的瓦尼尔函数，直至修改后的超胞的各原子轨道的瓦尼尔函数与超胞的权重能带(或者说超胞的能带)相匹配，即确保两者表达的超胞的特征是一致的，从而获得准确的瓦尼尔函数。
在一个实施例中，根据所述超胞的电子波函数，获得所述超胞与原胞之间的转换权重参数，利用所述转换权重参数，描述出所述原胞的电子结构，包括：
根据所述超胞的电子波函数，获得所述超胞的电子结构；
根据所述超胞的电子结构，获取所述超胞当前的k点与初始k点之间的距离、k点相应的能量以及最近邻高对称k点线间边界；
根据所述超胞的所述当前的k点与所述初始k点之间的距离、k点相应的能量以及最近邻高对称k点线间边界，构建相应原胞k点；
利用所述超胞的瓦尼尔函数，所述原胞的k点和晶格常数，计算所述超胞布里渊区中能带在原胞的布里渊区中的转换权重参数，获得所述原胞的电子结构。
在获得该合金材料的超胞的电子结构后，可基于其电子结构获取超胞当前的k点与初始k点之间的距离、k点相应的能量以及最近邻高对称k点线间边界，然后以此为基础构建原胞k点，从而利用超胞的瓦尼尔函数，所述原胞的k点和晶格常数准确描述出原胞的电子结构(或者能带结构)，进而便于全面、准确地把握合金材料电子结构特征，为材料的研究和调控提供理论参考，避免利用超胞结构直接做研究而导致所研究的合金材料电子结构特征复杂。
另外，在能带图的横坐标是在模型对称性基础上取的k点，这些k点是沿着高对称线取得，这样才能包含整个布里渊区。电子的波函数弥散在整个布里渊区空间，我们只有把空间中的k点取遍才能获取完整的电子结构。
下面将进一步说明本发明的技术方案：
在input.dat文件中输入合金材料的相关控制参数。调用Wannier90软件包读入这些控制参数，计算得到合金体系的Hamiltonian矩阵(哈密顿矩阵)和系统的其他信息，它们分别放在文件seedname_hr.dat和seedname.wout中。从seedname_hr.dat和seedname.wout文件读取TB参数、Wannier中心位置和超胞的晶格参数，构建原胞和超胞对应的布里渊区中的k点。
执行Wannier90程序包，得到体系中超胞中各个原子轨道的Wannier函数(瓦尼尔函数)。修改这些Wannier函数，使它与反折叠的能带匹配(即反折叠能带与超胞的Wannier函数所表征的超胞的特征完全相同)，即得到一系列的wf[0-nwan].[spin]文件，[0-nwan]是表示Wannier函数的三位数，其范围从1到nwan，[spin]是表示自旋的一位数，1和2分别代表自旋向上和向下。例如，假设一个Wannier函数的总数是16(即在wannier90输入文件中num_wann＝16)，且系统是非自旋极化或者我们操纵自旋向上的能带，那么生成的一系列的Wannier函数的文件名为wf001.1,wf002.1,...wf016.1。
用修改后的Wannier函数来重组超胞的电子波函数。计算能带将得到名为bands.dat和boundaries_bands.dat的两个文件。bands.dat文件中包含两列实数，第一列数是k点位置参数，表明现在的k点和初始k点间的距离(即超胞与原胞中k的间距)，其在能带图中可以设置为x轴。第二列数是以单位为eV的能量。boundaries_bands.dat文件包含多个两行的数据组，每一组都明确了能带中的垂直线，给定了两个最近邻的高对称k点线间的边界。
然后执行能带的权重计算，将会调用wf[0-nwan].[spin]文件以及初始原胞k点和晶格常数，然后计算得到原胞的能带结构，详细的计算流程见图2(其中，图2中的Hamilton矩阵是由超胞的瓦尼尔函数导出的，而基于Hamilton矩阵可求得超胞中电子的本征值和本征矢)。能带反折叠后，程序将会生成名为bands_unfold.dat和boundaries_unfold.dat的两个文件。bands_unfold.dat文件包含三列实数，前两列为k点位置参数和能量，第三列为反折叠权重(即转换权重参数)。当绘制能带图时，我们常用点的深浅和大小表示权重。这样我们就得到了合金材料的初始原胞的能带结构，其中，在图2中，i和j表示的是k点和能带的标号，EL和EH表示的是能量的最低和最高值，Eij表示的是第i个k点处所对应的第j条能带的能量值。
另外，需要介绍的是，本发明分别将合金材料的超晶胞和初始原胞表示为
Figure BDA0002239365160000081
和
Figure BDA0002239365160000082
设合金材料的超晶胞体积是初始原胞体积的N倍。他们在倒格子空间中的单位基矢分别为
Figure BDA0002239365160000083
和
Figure BDA0002239365160000084
超晶胞系统中的本征态可以通过密度泛函理论(DFT)或者其他理论方法直接计算得到。本征态是Bloch波函数，它们遵从关系式
Figure BDA0002239365160000085
Figure BDA0002239365160000086
其中
Figure BDA0002239365160000087
是超晶胞的平移算符，
Figure BDA0002239365160000088
是超晶胞布里渊区中的波矢。每一个本征函数都可以写为
Figure BDA0002239365160000089
为超晶胞中的周期函数。XR指在倒易空间中的位置。
本发明通过群伦的方法实现超晶胞能带结构的反折叠。通过投影算
Figure BDA00022393651600000810
得到反折叠权重,其中态
Figure BDA00022393651600000811
定义为
Figure BDA00022393651600000812
Figure BDA00022393651600000813
这里
Figure BDA00022393651600000814
来源于初始原胞平移对称群的群因子，关系式
Figure BDA00022393651600000815
将超晶胞和初始原胞联系到一起，k为超胞布里渊区中的波矢。整数i是初始原胞中标准正交完全周期基矢函数
Figure BDA00022393651600000816
的集。投影算符
Figure BDA00022393651600000817
作用在周期函数
Figure BDA00022393651600000818
上。能带结构的反折叠也可以通过使用投影算符
Figure BDA00022393651600000819
实现，这里须将投影算符作用在Bloch波函数
Figure BDA00022393651600000820
(即超胞中电子的波函数)上。
当我们选取平面波作为基矢函数
Figure BDA00022393651600000821
时，转换权重
Figure BDA00022393651600000822
的公式可以简化为，其中，反折叠权重
Figure BDA00022393651600000823
即为图2中的Wi。
Figure BDA00022393651600000824
其中，
Figure BDA00022393651600000825
是初始原胞的倒格子基矢，也就是
Figure BDA00022393651600000826
因此反折叠权重是规范的傅里叶项的总和。在第一原理计算中波函数往往非常的巨大，而且许多波函数的能量与费米能量差距很大而没有多大意义。我们使用Wannier函数重组费米能附近的Bloch波函数来计算反折叠权重。这种全面的局域Wannier函数以节省时间和计算资源。
最后，需要明确的是：本领域技术人员可根据实际需求，将上述多个实施例进行自由组合。
对应本发明实施例提供的上述获取合金材料原胞电子结构的方法，本发明实施例还提供一种获取合金材料原胞电子结构的装置，如图3所示，该装置包括：
获取模块301，用于获取所述合金材料的超胞的物理参数；
构建模块302，用于根据所述超胞的物理参数，构建所述超胞的瓦尼尔函数；
第一处理模块303，用于修改所述超胞的瓦尼尔函数，重组所述超胞的电子波函数；
第二处理模块304，用于根据所述超胞的电子波函数，获得所述超胞与原胞能带结构之间的转换权重参数，利用所述转换权重参数，描述出所述原胞的电子结构。
在一个实施例中，所述获取模块包括：
第一获取子模块，用于获取所述合金材料中所述超胞的TB模型参数、瓦尼尔中心位置和所述超胞的晶格参数。
在一个实施例中，所述装置还包括：
修改模块，用于修改所述超胞的瓦尼尔函数，直至修改后的所述超胞的各原子轨道的瓦尼尔函数与所述超胞的权重能带匹配。
在一个实施例中，所述第二处理模块包括：
第二获取子模块，用于根据所述超胞的电子波函数，获得所述超胞的电子结构；
第三获取子模块，用于根据所述超胞的电子结构，获取所述超胞当前的k点与初始k点之间的距离、k点相应的能量以及最近邻高对称k点线间边界；
构建子模块，用于根据所述超胞的所述当前的k点与所述初始k点之间的距离、k点相应的能量以及最近邻高对称k点线间边界，构建相应原胞k点；
处理子模块，用于利用所述超胞的瓦尼尔函数，所述原胞的k点和晶格常数，计算所述超胞布里渊区中能带在原胞的布里渊区中的转换权重参数，获得所述原胞的电子结构。
本领域技术人员在考虑说明书及实践这里发明的发明后，将容易想到本发明的其它实施方案。本申请旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本发明的一般性原理并包括本发明未发明的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本发明的真正范围和精神由下面的权利要求指出。
应当理解的是，本发明并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本发明的范围仅由所附的权利要求来限制。

Claims (4)

1.一种获取合金材料原胞电子结构的方法，其特征在于，包括：
获取所述合金材料的超胞的物理参数；
根据所述超胞的物理参数，构建所述超胞的瓦尼尔函数；
修改所述超胞的瓦尼尔函数，直至修改后的所述超胞的各原子轨道的瓦尼尔函数与所述超胞的权重能带匹配，重组所述超胞的电子波函数；
根据所述超胞的电子波函数，获得所述超胞与原胞能带结构之间的转换权重参数，利用所述转换权重参数，描述出所述原胞的电子结构；
所述根据所述超胞的电子波函数，获得所述超胞与原胞之间的转换权重参数，利用所述转换权重参数，描述出所述原胞的电子结构，包括：
根据所述超胞的电子波函数，获得所述超胞的电子结构；
根据所述超胞的电子结构，获取所述超胞当前的k点与初始k点之间的距离、k点相应的能量以及最近邻高对称k点线间边界；
根据所述超胞的所述当前的k点与所述初始k点之间的距离、k点相应的能量以及最近邻高对称k点线间边界，构建相应原胞k点；
利用所述超胞的瓦尼尔函数，所述原胞的k点和晶格常数，计算所述超胞布里渊区中能带在原胞的布里渊区中的转换权重参数，获得所述原胞的电子结构。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述获取所述合金材料的超胞的物理参数，包括：
获取所述合金材料中所述超胞的TB模型参数、瓦尼尔中心位置和所述超胞的晶格参数。
3.一种获取合金材料原胞电子结构的装置，其特征在于，包括：
获取模块，用于获取所述合金材料的超胞的物理参数；
构建模块，用于根据所述超胞的物理参数，构建所述超胞的瓦尼尔函数；
第一处理模块，用于修改所述超胞的瓦尼尔函数，重组所述超胞的电子波函数；
第二处理模块，用于根据所述超胞的电子波函数，获得所述超胞与原胞能带结构之间的转换权重参数，利用所述转换权重参数，描述出所述原胞的电子结构；
修改模块，用于修改所述超胞的瓦尼尔函数，直至修改后的所述超胞的各原子轨道的瓦尼尔函数与所述超胞的权重能带匹配；
所述第二处理模块包括：
第二获取子模块，用于根据所述超胞的电子波函数，获得所述超胞的电子结构；
第三获取子模块，用于根据所述超胞的电子结构，获取所述超胞当前的k点与初始k点之间的距离、k点相应的能量以及最近邻高对称k点线间边界；
构建子模块，用于根据所述超胞的所述当前的k点与所述初始k点之间的距离、k点相应的能量以及最近邻高对称k点线间边界，构建相应原胞k点；
处理子模块，用于利用所述超胞的瓦尼尔函数，所述原胞的k点和晶格常数，计算所述超胞布里渊区中能带在原胞的布里渊区中的转换权重参数，获得所述原胞的电子结构。
4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述获取模块包括：
第一获取子模块，用于获取所述合金材料中所述超胞的TB模型参数、瓦尼尔中心位置和所述超胞的晶格参数。
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