CN112927758A - 一种快速有效的异质界面建模方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种快速有效的异质界面建模方法，从文献数据库中检索所需的异质界面相关信息，依据文献信息确定两种材料的接触面取向关系或基于材料模拟软件选择可能的接触面取向，计算两种材料的晶格匹配度并完成接触面的晶格匹配，然后根据原子分布和界面成键特点合理地选择两种异质材料接触面各自的原子层，并相对平移两个接触表面达到较优的界面原子分布，接着设置并优化的两种接触面的面间距即可完成异质界面模型的初步建立，最后通过材料模拟软件的优化获得稳定合理的异质界面。通过该方法，可以迅速有效地建立复杂的异质界面模型，为异质界面性能的研究提供技术保障，具有很强的实用价值。
Description
技术领域
本发明涉及一种快速有效的异质界面建模方法，利用该方法能够迅速有效地建立复杂的异质界面模型，为异质界面性能的研究提供技术保障，属于材料设计技术领域。
背景技术
随着现代科技对材料要求的不断提高，人们已经不能满足仅限于对一般单一材料的使用，而是希望在更多层面考虑性能优异的新型复合材料。新型复合材料必然涉及异质界面，因此界面性能对材料整体性能的影响的研究成为关注的热点。2000年诺贝尔物理学奖得主Herbert Kroemer曾说过“界面就是器件”，足以说明界面在材料研究中的重要性。界面的性能与材料各种功能性质息息相关，如半导体异质结能带偏移是衡量电子器件电学功能的重要参数，它决定着载流子的输运、载流子的复合和费米能级的劈裂等性质。
随着超级计算机运算能力不断提高，在材料研发领域人们越来越广泛的采用材料模拟仿真技术。尤其量子力学第一原理计算方法，它不使用基本物理常数和原子量以外的任何可调的经验和拟合参数，而是直接对体系的薛定谔方程进行求解，从而得到体系的总能和电子结构等性质，模拟结果可以直接预测材料性能，为新型材料的实验开发和设计提供理论指导。然而异质界面的结构错综复杂，无论是实验技术，还是材料模拟仿真技术获取稳定存在的异质界面准确的结构信息都是非常困难的，因此设计一种方法可以快速有效地获取异质界面结构信息将对材料性质的研究有重大的实用价值。
发明内容
本发明的目的在于提供一种快速有效的异质界面建模方法，采用该方法可以简单快捷地获取异质界面的结构信息，大幅度降低了以往异质界面研究的复杂性，进而可以帮助实验人员从界面设计和调控出发改善材料的各种物理性能。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种快速有效的异质界面建模方法，包括以下步骤：
(1)获取异质界面结构信息：从文献数据库中检索需要研究的异质界面，若存在，依据文献信息确定两种材料的接触面取向关系，若不存在，借助材料模拟软件分别选择可能的接触面取向，然后计算两种材料的晶格匹配度，并调节接触面的晶格常数大小完成晶格匹配；
(2)选择两种异质材料接触面上各自的原子层：根据原子分布和界面成键特点合理地选择两种异质材料接触面上各自的原子层，并相对平移两个接触表面达到较优的界面原子分布；
(3)设置合理的面间距：结合实验和两种材料的各自的面间距数据，设置并优化的两种接触面的面间距，完成异质界面模型的初步建立；
(4)获取稳定合理的异质界面结构：将初步建立的异质界面结构输入到材料模拟软件，通过优化原子位置获得稳定合理的异质界面。
在本发明的方法中，所述材料模拟软件为VESTA或Materials Studio。
在本发明的步骤(1)中，通常情况下选择的异质界面需满足错位度不超过10％。另外，假设对于材料A和材料B的异质界面A/B，两种材料接触面原始晶格常数大小分别为a和b，则根据实际情况，为了完成晶格匹配，接触面的晶格常数可最终调整为a，b或者(a+b)/2。
在本发明的步骤(2)中，需根据原子分布和界面成键特点合理地选择两种异质材料接触面上各自的原子层。若材料A表面的阳离子与材料B表面的阴离子容易成键，需设置含有这两种原子的表面为接触面，并通过相对平移调整两种原子到合理的成键距离。
在本发明的步骤(3)中，面间距d通常设为A和B材料面间距的平均值(dA+dB)/2，或者dA和dB之间的数值。面间距在原子位置优化过程中会发生调整。
本发明的优点在于：
本发明通过文献数据库或材料模拟软件设计了一种快速有效的异质界面建模方法，通过该方法可获取稳定合理的异质界面原子结构。异质界面结构复杂，以往的实验和模拟研究没有提出适当方法和完整的设计流程。本发明设计的一种快速有效的异质界面建模方法很大程度简化了界面研究的复杂性，可以合理的构建出文献已详细报道的异质界面以及未知可能的异质界面。用本发明的方法获取的稳定合理的异质界面有助于材料界面的设计与研发。
附图说明
图1为本发明实施的流程图。
图2(a)为TiO2(001)面原子结构示意图，原胞大小为2×2的扩展原胞；(b)为CH3NH3PbI3(001)/TiO2(001)异质界面结构示意图，接触面面间距标记为d。
图3为CZTS(001)/CdS(001)异质界面结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作详细说明，但并不意味着对本发明保护范围的限制。
如图1所示，为本发明实施的流程图，包括如下步骤：从文献数据库中检索所需的异质界面相关信息，依据文献信息确定两种材料的接触面取向关系或基于材料模拟软件选择可能的接触面取向，计算两种材料的晶格匹配度并完成接触面的晶格匹配，然后根据原子分布和界面成键特点合理地选择两种异质材料接触面各自的原子层，并相对平移两个接触表面达到较优的界面原子分布，接着设置并优化的两种接触面的面间距即可完成异质界面模型的初步建立，最后通过材料模拟软件的优化获得稳定合理的异质界面。
实施例1
以钙钛矿与二氧化钛的异质界面为例，建模方法包括如下步骤：
1、获取异质界面结构信息：从文献数据库中检索到CH3NH3PbI3(001)/TiO2(001)界面为存在的一种钙钛矿与二氧化钛异质界面。其中CH3NH3PbI3为四方结构，晶格参数
TiO2为金红石结构，晶格参数
由于钙钛矿生长在二氧化钛的衬底上，接触界面的晶格常数选择屈从于TiO2的晶格常数。将TiO2为金红石结构单胞扩展为2×2即可与钙钛矿的单胞匹配，见图2(a)。界面错配度计算结果为7.35％。由于a1＜2a2，钙钛矿层处于拉伸状态。
2、选择两种异质材料接触面上各自的原子层：由于实验观测到异质界面的强度主要来源于Pb-O和Ti-I键的作用，因此选择钙钛矿的PbI2表面层与二氧化钛的表面层形成异质界面。根据原子分布，相对平移两种材料到合适位置，让界面处Pb/O和Ti/I原子最大程度的成键。
3、设置合理的面间距：将钙钛矿与二氧化钛两种材料之间接触面的面间距d设置为二者此方向的平均距离，如图2(b)所示，据此异质界面模型初步建立。
4、获取稳定合理的异质界面结构：将初步建立的异质界面结构输入到材料模拟软件VASP，通过优化原子位置可最终获得稳定合理的异质界面。
通过计算获得该异质界面结合能为-0.93J/m2。利用该方法获取的异质界面构型与实验和以往计算基本一致。利用本发明，可以迅速有效地建立复杂的异质界面模型，为异质界面性能的模拟研究提供技术保障。
实施例2
以Cu2ZnSnS4(CZTS)与CdS的异质界面为例，建模方法包括如下步骤：
1、获取异质界面结构信息：从文献数据库中检索到CZTS(001)/CdS(001)界面为存在的一种CZTS与CdS的异质界面。其中CZTS为Kesterite结构，晶格参数
CdS为闪锌矿型，晶格参数
由于CdS生长在CZTS的衬底上，接触界面的晶格常数选择屈从于CZTS的晶格常数。结构示意图见图3，界面错配度计算结果为8.61％。
2、选择两种异质材料接触面上各自的原子层：由于实验观测CZTS界面处主要是Cu和Zn原子，因此选择CZTS的Cu-Zn层与CdS表面S层形成异质界面。根据原子分布，相对平移两种材料到合适位置，让界面处其它原子与S原子最大程度的成键。
3、设置合理的面间距：调节两种材料之间接触面的面间距使得界面处Cu-S和Zn-S键长与体相基本一致，即设置此方向的距离为CZTS的面间距，据此异质界面模型初步建立。
4、获取稳定合理的异质界面结构：将初步建立的异质界面结构输入到材料模拟软件VASP，通过优化原子位置可最终获得稳定合理的异质界面。
通过计算获得该异质界面结合能为-3.05J/m2。利用该方法获取的异质界面构型与实验和以往计算基本一致。利用本发明，可以迅速有效地建立复杂的异质界面模型，为异质界面性能的模拟研究提供技术保障。
Claims (6)
1.一种快速有效的异质界面建模方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)获取异质界面结构信息：从文献数据库中检索需要研究的异质界面，若存在，依据文献信息确定两种材料的接触面取向关系，若不存在，借助材料模拟软件分别选择可能的接触面取向，然后计算两种材料的晶格匹配度，并调节接触面的晶格常数大小完成晶格匹配；
(2)选择两种异质材料接触面上各自的原子层：根据原子分布和界面成键特点合理地选择两种异质材料接触面上各自的原子层，并相对平移两个接触表面达到较优的界面原子分布；
(3)设置合理的面间距：结合实验和两种材料的各自的面间距数据，设置并优化两种接触面的面间距，完成异质界面模型的初步建立；
(4)获取稳定合理的异质界面结构：将初步建立的异质界面结构输入到材料模拟软件，通过优化原子位置获得稳定合理的异质界面。
2.根据权利要求1所述的异质界面建模方法，其特征在于，在步骤(1)中，所述材料模拟软件为VESTA或Materials Studio。
3.根据权利要求1所述的异质界面建模方法，其特征在于，在步骤(1)中，选择的异质界面需满足错位度不超过10％。
4.根据权利要求1所述的异质界面建模方法，其特征在于，在步骤(1)中，对于材料A和材料B的异质界面A/B，两种材料接触面原始晶格常数大小分别为a和b，则接触面的晶格常数最终调整为a，b或者(a+b)/2。
5.根据权利要求1所述的异质界面建模方法，其特征在于，在步骤(2)中，需根据原子分布和界面成键特点合理地选择两种异质材料接触面上各自的原子层，若材料A表面的阳离子与材料B表面的阴离子容易成键，需设置含有这两种原子的表面为接触面，并通过相对平移调整两种原子到合理的成键距离。
6.根据权利要求1所述的异质界面建模方法，其特征在于，在步骤(3)中，面间距d设为材料A和材料B面间距的平均值(dA+dB)/2，或者dA和dB之间的数值，在原子位置优化过程中面间距会发生调整。
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