CN113096748B - 一种基于范德华势能的晶体结构的去重方法及系统 - Google Patents

一种基于范德华势能的晶体结构的去重方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于范德华势能的晶体结构的去重方法及系统，该方法包括：扩胞得到超晶胞；计算超晶胞内原子间的范德华势；计算超晶胞内各原子的受力信息；生成对应的三维矩阵；计算三维矩阵间的加权余弦距离并判断对应的晶体结构是否相似；判断到晶体结构相似，删除多余的晶体结构。该系统包括：扩胞模块、原子间范德华势计算模块、原子受力计算模块、三维矩阵构建模块、判断模块和删除模块。通过使用本发明，能够以更加简单有效的方式识别晶体结构，并进行去重。本发明作为一种基于范德华势能的晶体结构的去重方法及系统，可广泛应用于材料科学领域。

Description

一种基于范德华势能的晶体结构的去重方法及系统
技术领域
本发明涉及材料科学领域，尤其涉及一种基于范德华势能的晶体结构的去重方法及系统。
背景技术
晶体结构指的是晶体的微观结构，描述的是晶体中原子、离子或分子的排列情况，晶体结构是决定物质的物理、化学和力学等性能的基本因素之一。
材料识别技术对于结构化学和材料基因组计划的发展，对实现新材料研发的数据和计算生态基础，加速重点领域新材料的创新研发，促进新材料行业的可持续发展都有一定的促进作用。随着数字信息量的爆炸式增长，数据占用空间越来越大，冗余数据也越来越多。目前基于相似数据的检测技术对冗余数据进行压缩或者删除可能会导致部分数据被修改和缺失，在一定程度上会降低数据的可靠性。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种基于范德华势能的晶体结构的去重方法及系统，能够以更加简单有效的方式识别晶体结构，并进行去重。
本发明所采用的第一技术方案是：一种基于范德华势能的晶体结构的去重方法，包括以下步骤：
对晶胞进行扩胞处理，得到超晶胞；
对于超晶胞内原子间距离小于预设距离，计算原子间的范德华势；
根据原子间的范德华势计算原晶胞内各原子受到的力的总和，得到原晶胞内各原子的受力信息；
将原晶胞内各原子的受力信息进行提取并存储在矩阵中，进行归一化处理，得到该晶体结构对应的三维矩阵；
计算三维矩阵间的加权余弦距离并根据加权余弦距离判断对应的晶体结构是否相似；
判断到晶体结构相似，删除多余的晶体结构。
进一步，所述对晶胞进行扩胞处理，得到超晶胞这一步骤，其具体包括：
获取晶胞数据集；
根据晶体结构的空间组信息、晶格信息和原子信息对晶胞数据集中的多个初始晶胞进行扩胞处理，形成多个3×3×3的超晶胞。
进一步，以矢量(UAB，θAB)表示原子A与原子B的范德华势，所述UAB表示原子A与原子B范德华势的大小，所述θAB表示原子A与原子B范德华势的方向，原子A为原晶胞内的原子，原子B为超晶胞内的原子，原子间的范德华势的计算公式如下：
Figure BDA0003017360630000021
上式中，rAB表示原子A、B的距离，
Figure BDA0003017360630000022
DAB表示原子对的势阱，dAB表示范德华键长，DA表示原子A的范德华原子能，dA表示原子A的范德华距离。
进一步，所述根据原子间的范德华势计算原晶胞内各原子受到的力的总和，得到原晶胞内各原子的受力信息这一步骤，其具体包括：
根据原子间的范德华势确认原晶胞内各原子受到的力并计算力的总和；
以矢量(UA，θA)表示晶胞内各原子的受力总和，所述UA表示原子A所受的范德华势大小，所述θA表示原子A所受的范德华势方向；
将矢量(UA，θA)转换成直角坐标(XA，YA，ZA)的表示方式，得到原晶胞内各原子的受力信息(XA，YA，ZA)。
进一步，所述三维矩阵间的加权余弦距离的计算公式如下：
Figure BDA0003017360630000023
上式中，D表示三维矩阵间的加权余弦距离，waa′表示原子a与a′的权重，
Figure BDA0003017360630000024
Figure BDA0003017360630000025
Fa(n)为原子a的受力信息。
进一步，根据加权余弦距离判断对应的晶体结构是否相似具体包括：
两个三维矩阵间的加权余弦距离D小于0.25，则该两个三维矩阵对应的晶体结构判定为相似；
两个三维矩阵间的加权余弦距离D不小于0.25，则该两个三维矩阵对应的晶体结构判定为不相似。
本发明所采用的第二技术方案是：一种基于范德华势能的晶体结构的去重系统，包括：
扩胞模块，用于对晶胞进行扩胞处理，得到超晶胞；
原子间范德华势计算模块，对于超晶胞内原子间距离小于预设距离，计算原子间的范德华势；
原子受力计算模块，用于根据原子间的范德华势计算原晶胞内各原子受到的力的总和，得到原晶胞内各原子的受力信息；
三维矩阵构建模块，用于将原晶胞内各原子的受力信息进行提取并存储在矩阵中，进行归一化处理，得到该晶体结构对应的三维矩阵；
判断模块，用于计算三维矩阵间的加权余弦距离并根据加权余弦距离判断对应晶胞的晶体结构是否相似；
删除模块，用于判断到晶体结构相似，删除多余的晶体结构。
本发明方法及系统的有益效果是：本发明基于范德华势，将原子类型、原子距离、范德华势的大小与方向都编码进了晶体结构的表征方式，使用了更简单、适用性更广的方式识别晶体结构，使得该表征方式唯一标识一种晶体结构，提高晶体结构识别的效率和准确性，并准确去除冗余数据。
附图说明
图1是本发明一种基于范德华势能的晶体结构的去重方法的步骤流程图；
图2是晶胞扩胞过程的示意图；
图3是范德华势作用域示意图；
图4是本发明各原子受到的力的大小及其方向总和的计算示意图；
图5是本发明晶体结构的表征方式；
图6是本发明具体实施例晶胞扩胞示意图；
图7是本发明具体实施例一种基于范德华势能的晶体结构的去重系统的结构框图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的详细说明。对于以下实施例中的步骤编号，其仅为了便于阐述说明而设置，对步骤之间的顺序不做任何限定，实施例中的各步骤的执行顺序均可根据本领域技术人员的理解来进行适应性调整。
参照图1，本发明提出了一种基于范德华势能的晶体结构的去重方法，使用矩阵存储晶体结构中原子间相互作用的信息，利用该矩阵表征晶体结构，再利用加权余弦距离计算晶体结构的相似性，根据相似度进行去重，主要包括以下步骤：
S1、对晶胞进行扩胞处理，得到超晶胞；
S2、对于超晶胞内原子间距离小于预设距离，计算原子间的范德华势；
S3、根据原子间的范德华势计算原晶胞内各原子受到的力的总和，得到原晶胞内各原子的受力信息；
S4、将原晶胞内各原子的受力信息进行提取并存储在矩阵中，进行归一化处理，得到该晶体结构对应的三维矩阵，用以表征整个结构；
S5、计算三维矩阵间的加权余弦距离并根据加权余弦距离判断对应晶胞的晶体结构是否相似；
S6、判断到晶体结构相似，删除多余的晶体结构。
进一步作为本方法的优选实施例，所述对多个晶胞进行扩胞处理，得到多个超晶胞这一步骤，其具体包括：
获取晶胞数据集；
根据晶体结构的空间组信息、晶格信息和原子信息对晶胞数据集中的多个初始晶胞进行扩胞处理，形成多个3×3×3的超晶胞。
具体地，扩胞处理参照图2，用于计算各原子所受的范德华势。
进一步作为本方法的优选实施例，以矢量(UAB，θAB)表示原子A与原子B的范德华势，所述UAB表示原子A与原子B范德华势的大小，所述θAB表示原子A与原子B范德华势的方向，原子A为原晶胞内的原子，原子B为超晶胞内的原子，原子间的范德华势的计算公式如下：
Figure BDA0003017360630000041
上式中，rAB表示原子A、B的距离，
Figure BDA0003017360630000042
DAB表示原子对的势阱，dAB表示范德华键长，DA表示原子A的范德华原子能，dA表示原子A的范德华距离。
具体地，原子间范德华势的作用域参照图3。
进一步作为本方法优选实施例，所述根据原子间的范德华势计算原晶胞内各原子受到的力的总和，得到原晶胞内各原子的受力信息这一步骤，其具体包括：
根据原子间的范德华势确认原晶胞内各原子受到的力并计算力的总和；
具体地，根据矢量的求和的方式计算超晶胞内各原子受到的力的总和，参照图4，。
以矢量(UA，θA)表示晶胞内各原子的受力总和，所述UA表示原子A所受的范德华势大小，所述θA表示原子A所受的范德华势方向；
将矢量(UA，θA)转换成直角坐标(XA，YA，ZA)的表示方式，得到原晶胞内各原子的受力信息(XA，YA，ZA)。
具体地，转换直角坐标的公式为：
Figure BDA0003017360630000043
表征方式参照图5。
进一步作为本方法优选实施例，所述三维矩阵间的加权余弦距离的计算公式如下：
Figure BDA0003017360630000051
上式中，D表示三维矩阵间的加权余弦距离，waa′表示原子a与a′的权重，
Figure BDA0003017360630000052
Figure BDA0003017360630000053
Fa(n)为原子a的受力信息。
利用加权余弦距离计算两个晶体结构的差异性，其中A、A′两个原子的“距离”为
Figure BDA0003017360630000054
其中
Figure BDA0003017360630000055
则两个结构的“距离”为：
Figure BDA0003017360630000056
Figure BDA0003017360630000057
距离D即为用于描述两个结构的相似程度的标准，当D的值越接近0，则表示两个晶体结构的相似程度越高；当D的值越接近1，则表示两个晶体结构越不相似。
进一步作为本方法优选实施例，所述根据加权余弦距离判断对应的晶胞是否相似具体包括：
两个三维矩阵间的加权余弦距离D小于0.25，则该两个三维矩阵对应的晶体结构判定为相似；
两个三维矩阵间的加权余弦距离D不小于0.25，则该两个三维矩阵对应的晶体结构判定为不相似。
下面以实际参数进行说明：
假设二维晶胞C1内存在两个原子，分别是
Figure BDA0003017360630000058
和
Figure BDA0003017360630000059
晶格的两边长均为1，角度为90°。对于另一个二维晶胞C2内存在两个原子，分别是A′：(0.4，0.7)和B′：(0.7，0.4)，晶格的两边长均为1，角度为90°。其中A原子的范德华原子能为3.5，即DA＝3.5，A原子的范德华距离为0.1，即dA＝0.1；B原子的范德华原子能为4，即DB＝4，B原子的范德华距离为0.4，即dB＝0.4。
假设B-B原子对的最大计算距离
Figure BDA00030173606300000510
A-B原子对的最大计算距离
Figure BDA00030173606300000511
A-A原子对的最大计算距离
Figure BDA00030173606300000512
首先对晶胞C1进行扩胞处理，得到图6，对于晶胞C2同理。
根据rcut的值，对于小于rcut的原子计算其原子间的范德华力UAB及其方向θAB，并根据力的和求出改原子所受力的总和UA及其方向θA，所得晶胞C1中A原子所受力的总和为0.0404553938，方向为-45°，B原子所受力的总和为0.0404553938，方向为135°；同理可以算的晶胞C2中A′原子所受力的总和为0.086755，方向为-45°，B′原子所受力的总和为0.086755，方向为135°。
然后，通过转换，将矢量(UA，θA)用直角坐标(XA，YA)的表示，通过计算可得晶胞C1中A表示为(0.0286，-0.0286)，B表示为(-0.0286，0.0286)；晶胞C2中A′表示为(0.06135，-0.06135)，B′表示为(-0.06135，0.06135)。由该晶胞各原子所受力对应坐标的组合即为该晶体的表征方式，该表征矩阵唯一表示一晶体。
通过加权的余弦距离计算晶体C1和晶体C2的相似度，利用公式
Figure BDA0003017360630000061
Figure BDA0003017360630000062
计算得，D＝0.207。由于D小于0.25，那么可以判断晶胞C1和晶胞C2是相似的，对晶胞C2进行删除。
如图7所示，一种基于范德华势能的晶体结构的去重系统，包括：
扩胞模块，用于对晶胞进行扩胞处理，得到超晶胞；
原子间范德华势计算模块，对于超晶胞内原子间距离小于预设距离，计算原子间的范德华势；
原子受力计算模块，用于根据原子间的范德华势计算原晶胞内各原子受到的力的总和，得到原晶胞内各原子的受力信息；
三维矩阵构建模块，用于将原晶胞内各原子的受力信息进行提取并存储在矩阵中，进行归一化处理，得到该晶体结构对应的三维矩阵；
判断模块，用于计算三维矩阵间的加权余弦距离并根据加权余弦距离判断对应晶胞的晶体结构是否相似；
删除模块，用于判断到晶体结构相似，删除多余的晶体结构。
上述方法实施例中的内容均适用于本系统实施例中，本系统实施例所具体实现的功能与上述方法实施例相同，并且达到的有益效果与上述方法实施例所达到的有益效果也相同。
以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做作出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (7)

1.一种基于范德华势能的晶体结构的去重方法，其特征在于，包括以下步骤：
对晶胞进行扩胞处理，得到超晶胞；
对于超晶胞内原子间距离小于预设距离，计算原子间的范德华势；
根据原子间的范德华势计算原晶胞内各原子受到的力的总和，得到原晶胞内各原子的受力信息；
将原晶胞内各原子的受力信息进行提取并存储在矩阵中，进行归一化处理，得到该晶体结构对应的三维矩阵；
计算三维矩阵间的加权余弦距离并根据加权余弦距离判断对应的晶体结构是否相似；
判断到晶体结构相似，删除多余的晶体结构。
2.根据权利要求1所述一种基于范德华势能的晶体结构的去重方法，其特征在于，所述对晶胞进行扩胞处理，得到超晶胞这一步骤，其具体包括：
获取晶胞数据集；
根据晶体结构的空间组信息、晶格信息和原子信息对晶胞数据集中的多个初始晶胞进行扩胞处理，形成多个3×3×3的超晶胞。
3.根据权利要求2所述一种基于范德华势能的晶体结构的去重方法，其特征在于，以矢量(UAB，θAB)表示原子A与原子B的范德华势，所述UAB表示原子A与原子B范德华势的大小，所述θAB表示原子A与原子B范德华势的方向，原子A为原晶胞内的原子，原子B为超晶胞内的原子，原子间的范德华势的计算公式如下：
Figure FDA0003017360620000011
上式中，rAB表示原子A、B的距离，
Figure FDA0003017360620000012
DAB表示原子对的势阱，dAB表示范德华键长，DA表示原子A的范德华原子能，dA表示原子A的范德华距离。
4.根据权利要求3所述一种基于范德华势能的晶体结构的去重方法，其特征在于，所述根据原子间的范德华势计算原晶胞内各原子受到的力的总和，得到原晶胞内各原子的受力信息这一步骤，其具体包括：
根据原子间的范德华势确认原晶胞内各原子受到的力并计算力的总和；
以矢量(UA，θA)表示晶胞内各原子的受力总和，所述UA表示原子A所受的范德华势大小，所述θA表示原子A所受的范德华势方向；
将矢量(UA，θA)转换成直角坐标(XA，YA，ZA)的表示方式，得到原晶胞内各原子的受力信息(XA，YA，ZA)。
5.根据权利要求4所述一种基于范德华势能的晶体结构的去重方法，其特征在于，所述三维矩阵间的加权余弦距离的计算公式如下：
Figure FDA0003017360620000021
上式中，D表示三维矩阵间的加权余弦距离，waa′表示原子a与a′的权重，
Figure FDA0003017360620000022
Figure FDA0003017360620000023
Fa(n)为原子a的受力信息。
6.根据权利要求5所述一种基于范德华势能的晶体结构的去重方法，其特征在于，所述根据加权余弦距离判断对应的晶体结构是否相似具体包括：
两个三维矩阵间的加权余弦距离D小于0.25，则该两个三维矩阵对应的晶体结构判定为相似；
两个三维矩阵间的加权余弦距离D不小于0.25，则该两个三维矩阵对应的晶体结构判定为不相似。
7.一种基于范德华势能的晶体结构的去重系统，其特征在于，包括：
扩胞模块，用于对晶胞进行扩胞处理，得到超晶胞；
原子间范德华势计算模块，对于超晶胞内原子间距离小于预设距离，计算原子间的范德华势；
原子受力计算模块，用于根据原子间的范德华势计算原晶胞内各原子受到的力的总和，得到原晶胞内各原子的受力信息；
三维矩阵构建模块，用于将原晶胞内各原子的受力信息进行提取并存储在矩阵中，进行归一化处理，得到该晶体结构对应的三维矩阵；
判断模块，用于计算三维矩阵间的加权余弦距离并根据加权余弦距离判断对应的晶体结构是否相似；
删除模块，用于判断到晶体结构相似，删除多余的晶体结构。
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