CN113870958A - 一种在铅基钙钛矿晶体中掺杂bf4基团的晶胞构造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种在铅基钙钛矿晶体中掺杂BF4基团的晶胞构造方法，该方法为：从开源晶体数据库Crystallography Open Database查找CsPbBr3的结构文件；Materials Studio软件打开得到的CsPbBr3的cif结构文件，将4c占位的Br原子替换为C原子，给C原子加满氢原子，获得H原子坐标；Materials Studio软件打开另外一个CsPbBr3的结构文件，将4c占位的Br原子替换为B原子；将上面获得的H原子坐标作为F原子的坐标添加4个F原子，最终在B原子附近形成一个BF4四面体；将得到的晶格结构通过第一性原理软件包VASP进行结构优化计算，获得键角键长合理的CsPbBr2BF4晶胞，解决了传统建模方法没有实验数据就无法进行掺杂建模的问题，方便快捷的应用在第一性原理方法探索铅基钙钛矿晶体掺入BF4基团后相关性质变化规律的研究中。
Description
技术领域
本发明涉及铅基钙钛矿材料数值模拟技术领域，具体涉及一种在铅基钙钛矿晶体中掺杂BF4基团的晶胞构造方法。
背景技术
在各种高能射线粒子中，γ射线和中子对人类的影响最大，其应用也最广泛。综合屏蔽γ射线和中子的材料，一方面要富含高原子序数元素，作为γ射线吸收体，另一方面，还要富含中子吸收截面高的低原子序数元素。而且，高原子序数元素和低原子序数元素还要实现均匀分布，保证屏蔽材料的均一性和屏蔽稳定性。
有机无机杂化钙钛矿材料CH3NH3PbBr3在高能射线粒子探测和屏蔽方面展示出广阔的应用前景。高原子序数的Cs元素的引入，也为拓展基于无机钙钛矿材料的高性能的γ射线屏蔽提供了坚实的基础。
在钙钛矿材料富含高原子序数元素Pb乃至Cs的基础上，为制备综合屏蔽γ射线和中子的材料，还要对钙钛矿材料进行低原子序数元素掺杂改性，以保证改性材料具备足够高的中子吸收截面。B原子的中子吸收截面高、俘获能谱宽，因而被广泛用于改善材料的中子吸收性能。由于氟硼酸根(BF4 -,0.218nm)的离子半径与Br-(0.196nm)接近，可作为一个重要的选择方案。要对此掺杂方案的可行性进行深入了解，需从理论上展开此种材料的相关性质的研究。而开展理论计算的前提条件是，要建立掺杂材料的晶胞结构。
基于此，我们提出了一种使用Materials Studio软件在铅基钙钛矿晶体中掺杂BF4基团的晶胞构造方法，向掺杂不同浓度的BF4基团，对接下来采用第一性原理方法开展其各种相关性质的研究具有重要的意义。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提供一种在铅基钙钛矿晶体中掺杂BF4基团的晶胞构造方法，该方法为：从开源晶体数据库Crystallography Open Database查找CsPbBr3的结构文件；Materials Studio软件打开得到的CsPbBr3的cif结构文件，将4c占位的Br原子替换为C原子，给C原子加满氢原子，获得H原子坐标；Materials Studio软件打开另外一个CsPbBr3的结构文件，将4c占位的Br原子替换为B原子；将上面获得的H原子坐标作为F原子的坐标添加4个F原子，最终在B原子附近形成一个BF4四面体；将得到的晶格结构通过第一性原理软件包VASP进行结构优化计算，获得键角键长合理的CsPbBr2BF4晶胞，解决了传统建模方法没有实验数据就无法进行掺杂建模的问题，方便快捷的应用在第一性原理方法探索铅基钙钛矿晶体掺入BF4基团后相关性质变化规律的研究中。
为实现上述技术目的，采用如下技术方案：
一种在铅基钙钛矿晶体中掺杂BF4基团的晶胞构造方法，包括以下步骤：
步骤S1：从开源晶体数据库Crystallography Open Database查找CsPbBr3的cif结构文件，得到晶格参数的结果；
步骤S2：利用软件打开得到的CsPbBr3的cif结构文件，找到4c占位的Br原子，并将其替换为C原子，给C原子加满氢原子，记下其中一个C原子周围的四个H原子坐标；
步骤S3：利用软件打开CsPbBr3的结构文件，再次找到4c占位的Br原子，并将其替换为B原子，后续操作保持晶格结构相同的空间群；
步骤S4：将步骤3中获得的H原子坐标作为F原子的坐标添加4个F原子，最终在B原子附近形成一个BF4四面体；
步骤S5：将步骤4中得到的晶格结构进行结构优化计算，获得键角键长合理的CsPbBr2BF4晶胞。
进一步的，所述步骤S1中的CsPbBr3的空间群为Pnma。
进一步的，所述步骤S1中晶格参数的结果为：
Pb：x＝0.00000,y＝0.00000,z＝0.00000；4a
Cs：x＝-0.46900,y＝0.25000,z＝0.00702；4c
Br1：x＝0.29347,y＝0.47611,z＝0.20607；8d
Br2：x＝0.00370,y＝0.75000,z＝0.04550；4c。
进一步的，所述步骤S2中给C原子加满氢原子的操作方法为：取消结构的对称性Build-Symmetry-Make P1，点Auto-update-hydrogen给C原子加满氢原子。
进一步的，所述步骤S2中软件为Materials Studio软件。
进一步的，所述步骤S3中软件为Materials Studio软件。
进一步的，所述步骤S3中空间群为Pnma。
进一步的，所述步骤S5中晶格结构进行结构优化计算方法为通过第一性原理软件包VASP方法。
本发明解决了传统建模方法没有实验数据就无法进行掺杂建模的问题，方便快捷的应用在第一性原理方法探索铅基钙钛矿晶体掺入BF4基团后相关性质变化规律的研究中。
本发明的有益效果为：
提供一种在铅基钙钛矿晶体中掺杂BF4基团的晶胞构造方法，该方法为：从开源晶体数据库Crystallography Open Database查找CsPbBr3的结构文件；Materials Studio软件打开得到的CsPbBr3的cif结构文件，将4c占位的Br原子替换为C原子，给C原子加满氢原子，获得H原子坐标；Materials Studio软件打开另外一个CsPbBr3的结构文件，将4c占位的Br原子替换为B原子；将上面获得的H原子坐标作为F原子的坐标添加4个F原子，最终在B原子附近形成一个BF4四面体；将得到的晶格结构通过第一性原理软件包VASP进行结构优化计算，获得键角键长合理的CsPbBr2BF4晶胞，解决了传统建模方法没有实验数据就无法进行掺杂建模的问题，方便快捷的应用在第一性原理方法探索铅基钙钛矿晶体掺入BF4基团后相关性质变化规律的研究中。通过理论预测新材料的各种性质可以获得事半功倍的效果。由于掺杂后新材料的晶格结构尚未从实验测试获得，可以通过建模并进行理论计算获得，从而为后面的理论研究奠定基础。
附图说明
图1为本发明实施例中一种使用MS软件在铅基钙钛矿晶体中掺杂BF4基团的晶胞构造方法的流程示意图；
图2为CsPbBr3的晶格结构示意图；
图3为CsPbBr3晶胞中4个Br(4c占位)被替换为C的结构图；
图4为CsPbBr3晶胞中4个Br被CH4基团替换的结构图；
图5为CsPbBr3晶胞中4个Br被BF44基团替换的结构图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的描述，本发明的保护范围不局限于以下所述：
为了更好的理解本发明的技术方案，将操作过程进行如下描述：
实例1
如图1所示，一种在铅基钙钛矿晶体中掺杂BF4基团的晶胞构造方法，该方法具体包括以下步骤：
步骤S1：从开源晶体数据库Crystallography Open Database查找CsPbBr3的cif结构文件，得到晶格参数的结果；
步骤S2：利用软件打开得到的CsPbBr3的cif结构文件，找到4c占位的Br原子，并将其替换为C原子，给C原子加满氢原子，记下其中一个C原子周围的四个H原子坐标；
步骤S3：利用软件打开CsPbBr3的结构文件，再次找到4c占位的Br原子，并将其替换为B原子，后续操作保持晶格结构相同的空间群；
步骤S4：将步骤3中获得的H原子坐标作为F原子的坐标添加4个F原子，最终在B原子附近形成一个BF4四面体；
步骤S5：将步骤4中得到的晶格结构进行结构优化计算，获得键角键长合理的CsPbBr2BF4晶胞。
进一步的，所述步骤S1中的CsPbBr3的空间群为Pnma。
进一步的，所述步骤S1中晶格参数的结果为：
Pb：x＝0.00000,y＝0.00000,z＝0.00000；4a
Cs：x＝-0.46900,y＝0.25000,z＝0.00702；4c
Br1：x＝0.29347,y＝0.47611,z＝0.20607；8d
Br2：x＝0.00370,y＝0.75000,z＝0.04550；4c。
进一步的，所述步骤S2中给C原子加满氢原子的操作方法为：取消结构的对称性Build-Symmetry-Make P1，点Auto-update-hydrogen给C原子加满氢原子。
进一步的，所述步骤S2中软件为Materials Studio软件。
进一步的，所述步骤S3中软件为Materials Studio软件。
进一步的，所述步骤S3中空间群为Pnma。
进一步的，所述步骤S5中晶格结构进行结构优化计算方法为通过第一性原理软件包VASP方法。
根据这些能量计算得到所有空位的形成能，并从局域环境中的原子种类、原子个数等不同角度分析空位的形成特点及对空位形成的影响因素。
具体举例为：
S1:从开源晶体数据库Crystallography Open Database查找CsPbBr3(空间群为Pnma)的cif结构文件，如图2所示，得到晶格参数的结果为：
Pb：x＝0.00000,y＝0.00000,z＝0.00000；4a
Cs：x＝-0.46900,y＝0.25000,z＝0.00702；4c
Br1：x＝0.29347,y＝0.47611,z＝0.20607；8d
Br2：x＝0.00370,y＝0.75000,z＝0.04550；4c
S2:首先建立CsPbBr2BF4掺杂结构：利用Materials Studio软件打开得到的CsPbBr3的cif结构文件，找到4c占位的Br原子，并将其替换为C原子，如图3所示。取消结构的对称性Build-Symmetry-Make P1，点Auto-update-hydrogen给C原子加满氢原子，如图4所示，记下其中一个C原子周围的四个H原子坐标。此处记下坐标为x＝0.5037,y＝0.7500,z＝0.4545的C原子附近的H原子坐标：
H1:x＝0.45761,y＝0.81476,z＝0.54720；
H2:x＝0.45761,y＝0.77370,z＝0.32786；
H3:x＝0.45761,y＝0.66153,z＝0.48843；
H4:x＝0.64198,y＝0.75000,z＝0.45450；
S3:利用Materials Studio软件打开CsPbBr3的结构文件，再次找到4c占位的Br原子，并将其替换为B原子，如图5所示，此时晶格结构的空间群仍然是Pnma，后面所有操作的保持晶格结构相同的空间群；
S4:在上步结构中添加F原子：将上面获得的H原子坐标作为F原子的坐标添加4个F原子。由于晶胞结构的对称性，输入一个坐标时可能会添加两个F原子，这时可以再输入两个F原子坐标，最终在B原子附近形成一个BF4四面体。
S5:将上一步得到的晶格结构通过第一性原理软件包VASP进行结构优化计算，获得键角键长合理的CsPbBr2BF4晶胞。
根据这些能量计算得到所有空位的形成能，并从局域环境中的原子种类、原子个数等不同角度分析空位的形成特点及对空位形成的影响因素。
步骤S2中所述的这一步是为了得到体心为C原子的四面体结构，并获得形成四面体的H原子的坐标。
步骤S3中所述内容是将一部分Br原子替换为B原子，进行掺杂。
步骤S4是在步骤S3所得到的晶格结构的B原子周围添加F原子，从而获得BF4四面体基团。
步骤S5是为了获得键角键长合理的CsPbBr2BF4晶胞。因为前面步骤所得结构中的键长和键角是根据CH4基团得出的，需要进行计算优化。
综上所述，本发明公开了一种在铅基钙钛矿晶体中掺杂BF4基团的晶胞构造方法，该方法为：从开源晶体数据库Crystallography Open Database查找CsPbBr3的结构文件；Materials Studio软件打开得到的CsPbBr3的cif结构文件，将4c占位的Br原子替换为C原子，给C原子加满氢原子，获得H原子坐标；Materials Studio软件打开另外一个CsPbBr3的结构文件，将4c占位的Br原子替换为B原子；将上面获得的H原子坐标作为F原子的坐标添加4个F原子，最终在B原子附近形成一个BF4四面体；将得到的晶格结构通过第一性原理软件包VASP进行结构优化计算，获得键角键长合理的CsPbBr2BF4晶胞，解决了传统建模方法没有实验数据就无法进行掺杂建模的问题，方便快捷的应用在第一性原理方法探索铅基钙钛矿晶体掺入BF4基团后相关性质变化规律的研究中。通过理论预测新材料的各种性质可以获得事半功倍的效果。由于掺杂后新材料的晶格结构尚未从实验测试获得，可以通过建模并进行理论计算获得，从而为后面的理论研究奠定基础。
至此，本领域技术人员认识到，虽然本文已详尽展示和描述了本发明的实施例，但是，在不脱离本发明精神和范围的情况下，仍可根据本发明公开的内容直接确定或推导符合本发明原理的许多其他变形或修改。因此，本发明的范围应被理解和认定为覆盖了所有这些其他变形或修改。
Claims (8)
1.一种在铅基钙钛矿晶体中掺杂BF4基团的晶胞构造方法，其特征在于，所述晶胞构造方法包括以下步骤：
步骤S1：从开源晶体数据库Crystallography Open Database查找CsPbBr3的cif结构文件，得到晶格参数的结果；
步骤S2：利用软件打开得到的CsPbBr3的cif结构文件，找到4c占位的Br原子，并将其替换为C原子，给C原子加满氢原子，记下其中一个C原子周围的四个H原子坐标；
步骤S3：利用软件打开CsPbBr3的结构文件，再次找到4c占位的Br原子，并将其替换为B原子，后续操作保持晶格结构相同的空间群；
步骤S4：将步骤3中获得的H原子坐标作为F原子的坐标添加4个F原子，最终在B原子附近形成一个BF4四面体；
步骤S5：将步骤4中得到的晶格结构进行结构优化计算，获得键角键长合理的CsPbBr2BF4晶胞。
2.如权利要求1所述的一种在铅基钙钛矿晶体中掺杂BF4基团的晶胞构造方法，其特征在于，所述步骤S1中的CsPbBr3的空间群为Pnma。
3.如权利要求1所述的一种在铅基钙钛矿晶体中掺杂BF4基团的晶胞构造方法，其特征在于，所述步骤S1中晶格参数的结果为：
Pb：x＝0.00000,y＝0.00000,z＝0.00000；4a
Cs：x＝-0.46900,y＝0.25000,z＝0.00702；4c
Br1：x＝0.29347,y＝0.47611,z＝0.20607；8d
Br2：x＝0.00370,y＝0.75000,z＝0.04550；4c。
4.如权利要求1所述的一种在铅基钙钛矿晶体中掺杂BF4基团的晶胞构造方法，其特征在于，所述步骤S2中给C原子加满氢原子的操作方法为：取消结构的对称性Build-Symmetry-Make P1，点Auto-update-hydrogen给C原子加满氢原子。
5.如权利要求1所述的一种在铅基钙钛矿晶体中掺杂BF4基团的晶胞构造方法，其特征在于，所述步骤S2中软件为Materials Studio软件。
6.如权利要求1所述的一种在铅基钙钛矿晶体中掺杂BF4基团的晶胞构造方法，其特征在于，所述步骤S3中软件为Materials Studio软件。
7.如权利要求1所述的一种在铅基钙钛矿晶体中掺杂BF4基团的晶胞构造方法，其特征在于，所述步骤S3中空间群为Pnma。
8.如权利要求1所述的一种在铅基钙钛矿晶体中掺杂BF4基团的晶胞构造方法，其特征在于，所述步骤S5中晶格结构进行结构优化计算方法为通过第一性原理软件包VASP方法。
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