CN117912616B - 一种基于第一性原理的超晶格构建方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及一种基于第一性原理的超晶格构建方法及系统，选择插层宿主二维材料和插层剂，构建超晶格结构。通过密度泛函理论计算其能带结构，在宿主二维材料的带隙中引入新能带，突破本身的带隙限制，实现远红外探测。为红外光电探测器在未来的应用提供了新的选择。解决了在第一性原理计算条件下的超晶格材料模型构建和性能表征的难点，可通过在二维材料的层间插入不同原子或者分子构建超晶格得到需要的材料特性。通过晶格结构模型输入的原子坐标和各个元素的赝势信息来进行结构的设计与优化。充分高效利用现代科技发展带来的强大的理论计算和模拟能力，减少了实验设备和实验材料带来的高昂运行成本，为后续实验的开展提供强有力的理论支撑。
Description
技术领域
本发明涉及计算机技术领域，特别是涉及一种基于第一性原理的超晶格构建方法及系统。
背景技术
红外技术应用于大量重要的光电应用场景，从光通信、生物医学成像到夜视摄像机等。尽管窄带隙半导体，如碲镉汞和锑化铟以及基于宽带隙半导体子带间转换的量子超晶格已被用于中红外应用，但是目前的红外材料被环境污染、高成本和复杂的制造工艺所困扰，寻找其他在此波长范围内拥有合适带隙的材料仍是一个艰巨的挑战。
二维原子层状超晶格可以有效地控制不同材料的原子层的堆叠和耦合，并且不受到晶格匹配的影响，这是因为二维材料相邻层之间是范德瓦尔斯相互作用。因此，这种人造二维原子晶体超晶格对具有广泛的可调节电子特性提供了技术机会，从而达到现有材料无法实现的应用。最常见的基于逐层机械剥离和转移的制造方法是复杂、费力和耗时的，产量和可重复性非常有限。化学气相沉积法已经成功地应用于生产高质量的二维异质结构、双层和多层过渡族金属硫族化合物，以及面内超晶格。然而，化学气相沉积法缺乏生长和堆叠精度，因此对于高阶垂直超晶格制备来说是很艰难的。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供了一种基于第一性原理的超晶格构建方法及系统。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：本申请中的一种基于第一性原理的超晶格构建方法，包括：
获取目标晶系的元胞晶体结构的数据文件；
基于所述目标晶系的元胞晶体结构的数据文件构建初步晶体结构；
对所述初步晶体结构进行第一性原理弛豫计算，得到稳定构型的初步晶体结构信息；
对所述稳定构型的初步晶体结构信息进行可视化，得到稳定构型的初步晶体结构；扩宽相邻2层所述稳定构型的初步晶体结构的层间距，并在间层中插入其他原子，得到初步超晶格结构；
对所述初步超晶格结构进行第一性原理弛豫计算，得到稳定构型的初步超晶格结构信息和晶格体系能量；
基于所述稳定构型的初步超晶格结构信息进行第一性原理光电性质计算，得到稳定超晶格的光电性质。
在本申请，对所述初步晶体结构进行第一性原理弛豫计算，得到稳定构型的初步晶体结构信息，包括：
对所述目标晶系的元胞晶体结构的数据文件进行格式转换，得到与预设的密度泛函计算工具匹配的第一赝势文件；
基于预设的密度泛函计算工具对所述第一赝势文件进行分析，得到元胞晶体结构中各元素的第一最大平面波截断能信息；
基于所述第一最大平面波截断能信息对所述元胞晶体结构进行截断能设置，得到稳定构型的初步晶体结构信息。
在本申请，对所述初步超晶格结构进行第一性原理弛豫计算，得到稳定构型的初步超晶格结构信息和晶格体系能量，包括：
对所述超晶格结构的数据文件进行格式转换，得到与预设的密度泛函计算工具匹配的第二赝势文件；
基于预设的密度泛函计算工具对所述第二赝势文件进行分析，得到超晶格结构中各元素的第二最大平面波截断能信息；
基于所述第二最大平面波截断能信息对所述超晶格结构进行截断能设置，得到稳定构型的初步超晶格结构信息和晶格体系能量。
在本申请，所述目标晶系的元胞晶体结构为MoS2、WS2、MoSe2、WSe2、ReS2和PtSe2中的任意一种。
在本申请，对所述初步晶体结构进行第一性原理弛豫计算时，允许所有原子弛豫，弛豫直至残余力小于0.001 eV/Å。
在本申请，所述最大平面波截断能设置为500 eV。
在本申请，对所述初步晶体结构进行第一性原理弛豫计算时，在费米能级处使用高斯模糊并通过部分占据来进行模糊处理，模糊宽度为0.05 eV。
在本申请，所述稳定构型的初步晶体结构信息或者所述稳定构型的初步超晶格结构信息包括晶格参数和原子坐标。
在本申请，扩宽2层所述稳定构型的初步晶体结构的层间距设置为3-7 nm；
在间层中插入其他原子时，插入位置为其中一层元胞晶体结构的硫族原子正上方，另一层元胞晶体结构的由金属原子和硫族原子构成的六边形中心。
本申请还提供一种基于第一性原理的超晶格构建系统，包括：
获取模块，用于获取目标晶系的元胞晶体结构的数据文件；
第一构建模块，用于基于所述目标晶系的元胞晶体结构的数据文件构建初步晶体结构；
第一弛豫模块，用于对所述初步晶体结构进行第一性原理弛豫计算，得到稳定构型的初步晶体结构信息；
超晶格构建模块，用于对所述稳定构型的初步晶体结构信息进行可视化，得到稳定构型的初步晶体结构；扩宽相邻2层所述稳定构型的初步晶体结构的层间距，并在间层中插入其他原子，得到初步超晶格结构；
第二弛豫模块，用于对所述初步超晶格结构进行第一性原理弛豫计算，得到稳定构型的初步超晶格结构信息和晶格体系能量；
光电性质模块，用于基于所述稳定构型的初步超晶格结构信息进行第一性原理光电性质计算，得到稳定超晶格的光电性质。
本发明的有益效果：本申请中的一种基于第一性原理的超晶格构建方法及系统，选择插层宿主二维材料和插层剂，构建超晶格结构。通过密度泛函理论计算其能带结构，在宿主二维材料的带隙中引入新能带，突破本身的带隙限制，实现远红外探测。为红外光电探测器在未来的应用提供了新的选择。解决了在第一性原理计算条件下的超晶格材料模型构建和性能表征的难点，可通过在二维材料的层间插入不同原子或者分子构建超晶格得到需要的材料特性。通过晶格结构模型输入的原子坐标和各个元素的赝势信息来进行结构的设计与优化。充分高效利用现代科技发展带来的强大的理论计算和模拟能力，减少了实验设备和实验材料带来的高昂运行成本，为后续实验的开展提供强有力的理论支撑。
附图说明
图1为本发明实施例一中的一种基于第一性原理的超晶格构建方法的流程示意图；
图2是本发明实施例一中的PtSe2O x 超晶格结构示意图；
图3是本申请实施例一的PtSe2O x 超晶格带隙与插入氧原子比例的关系图；
图4为本申请实施例二中PtSe2O x 插入氧原子比例为0.11时的电子能带结构图；
图5为本申请实施例二中插入氧原子比例增加到0.33时的电子能带结构图；
图6为本申请实施例二中插入氧原子比例增加到0.67时的电子能带结构图；
图7为本申请实施例二中插入氧原子比例增加到1时的电子能带结构图；
图8为本申请实施例三的电子能带结构图；
图9为本发明的一种基于第一性原理的超晶格构建系统的结构示意图。
具体实施方式
以下将参照附图和优选实施例来说明本申请的实施方式，本领域技术人员可由本说明书中所揭露的内容轻易地了解本申请的其他优点与功效。本申请还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本申请的精神下进行各种修饰或改变。应当理解，优选实施例仅为了说明本申请，而不是为了限制本申请的保护范围。
需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本申请的基本构想，遂图式中仅显示与本申请中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
实施例一
如图1所示，本申请实施例一中的一种基于第一性原理的超晶格构建方法，包括：
S100，获取目标晶系的元胞晶体结构的数据文件；
具体地，利用Materials Project开源材料数据库获取不同晶系的元胞晶体结构的.cif文件，数据库中可提供材料的晶格形状、晶格常数和原子坐标等参数。
所述目标晶系的元胞晶体结构为MoS2、WS2、MoSe2、WSe2、ReS2和PtSe2中的任意一种。
S200，基于所述目标晶系的元胞晶体结构的数据文件构建初步晶体结构；
具体包括：
S210，对所述目标晶系的元胞晶体结构的数据文件进行格式转换，得到与预设的密度泛函计算工具匹配的第一赝势文件；
借助电子和结构分析的三维可视化系统（VESTA），对所获取的不同晶系的元胞晶体结构数据的.cif文件格式转化为密度泛函计算软件.vasp的文件格式。
S220，基于预设的密度泛函计算工具对所述第一赝势文件进行分析，得到元胞晶体结构中各元素的第一最大平面波截断能信息；
S230，基于所述第一最大平面波截断能信息对所述元胞晶体结构进行截断能设置，得到稳定构型的初步晶体结构信息。
其中，设置截断能的目的是控制计算中所考虑的平面波的能量范围。平面波截断能决定了用于展开电荷密度和势能的平面波的最大能量。通过设置适当的截断能，可以确保在计算中包含足够的平面波来准确描述电荷密度和势能，同时保持计算的效率。较高的截断能可以提高计算精度，但会增加计算成本，因为需要更多的平面波来展开系统的电荷密度。相反，较低的截断能会减少计算成本，但可能会导致计算结果的不准确。因此，设置适当的截断能是在计算中平衡精度和计算效率之间的关键步骤。
具体地，所述最大平面波截断能设置为500 eV。
S300，对所述初步晶体结构进行第一性原理弛豫计算，得到稳定构型的初步晶体结构信息；所述稳定构型的初步晶体结构信息或者所述稳定构型的初步超晶格结构信息包括晶格参数和原子坐标。
其中，在进行第一性原理弛豫计算时，需要输入参数设置文件（INCAR），晶体倒矢格文件（KPOINTS），POSCAR（初步晶体结构文件）和赝势文件（POTCAR）。弛豫计算完成以后，会输出CONTCAR文件，这个文件包含了稳定构型的初步晶体结构信息。
对所述初步晶体结构进行第一性原理弛豫计算时，允许所有原子弛豫，弛豫直至残余力小于0.001 eV/Å，最大平面波截断能设置为500 eV。需要说明的是，截断能过大可能导致收敛速度减慢，从而增加了计算的成本和复杂度。截断能过小可能会导致系统的计算精度下降，影响到材料的能带结构和性质的计算结果。
对所述初步晶体结构进行第一性原理弛豫计算时，在费米能级处使用高斯模糊并通过部分占据来进行模糊处理，模糊宽度为0.05 eV。需要说明的是，模糊宽度过大，可能会引入额外的数值误差，尤其是如果在计算费米面附近的态密度时，模糊宽度较大会模糊费米面处的电子态分布，从而影响了能带结构的准确描述。而模糊宽度过小，则可能导致计算不收敛，尤其是在计算费米-狄拉克分布函数时，较小的模糊宽度可能会产生数值噪音和震荡，使得计算变得不稳定。
S400，对所述稳定构型的初步晶体结构信息进行可视化，得到稳定构型的初步晶体结构；扩宽相邻2层所述稳定构型的初步晶体结构的层间距，并在间层中插入其他原子，得到超晶格结构；
具体地，本实施例中，选择PtSe2材料作为插层宿主二维材料，氧气分子和氧原子作为插层剂，构建PtSe2O x 超晶格结构。
扩宽相邻2层所述稳定构型的初步晶体结构的层间距设置为3-7nm；
需要说明的是，层间距设置过大可能导致相邻二维层之间的相互作用减弱，从而影响能带结构。这可能导致计算得到的能带结构、电子密度等不准确，特别是对于那些依赖于层间相互作用的性质。层间距设置过小的层间距可能导致数值不稳定性，相邻层之间的相互作用过于强烈。这可能导致计算的不收敛或数值误差增加。
在间层中插入其他原子时，插入位置为其中一层元胞晶体结构的硫族原子正上方，另一层元胞晶体结构的由金属原子和硫族原子构成的六边形中心。
需要说明的是，原子插入二维材料位置与上述不符可能影响整个材料的结构稳定性，改变材料的能带结构、电荷密度分布和其他电学性质。
S500，对所述初步超晶格结构进行第一性原理弛豫计算，得到稳定构型的初步超晶格结构信息和晶格体系能量；所述稳定构型的初步晶体结构信息或者所述稳定构型的初步超晶格结构信息包括晶格参数和原子坐标。
具体过程包括：
S510，对所述超晶格结构的数据文件进行格式转换，得到与预设的密度泛函计算工具匹配的第二赝势文件；
具体地，通过VESTA软件将超晶格结构的.cif文件转化为.vasp的文件格式。
S520，基于预设的密度泛函计算工具对所述第二赝势文件进行分析，得到超晶格结构中各元素的第二最大平面波截断能信息；
S530，基于所述第二最大平面波截断能信息对所述超晶格结构进行截断能设置，得到稳定构型的初步超晶格结构信息和晶格体系能量。
S600，基于所述稳定超晶格结构进行第一性原理光电性质计算，得到稳定超晶格的光电性质。
为了获得精确的能带结构，本实施例中，采用更密集的k点来计算电子能带结构和投影态密度。由于氧原子插入PtSe2层间会使层与层分离，增大了层间距。进而插层氧原子比例对单层PtSe2O x 能带结构会产生影响。
图2（a）是本发明实施例一中的氧原子插入PtSe2形成PtSe2O x （x=1）超晶格结构的示意图，图2（b）和图2（d）为超晶格结构的侧视图，图2（c）为超晶格结构的俯视图。氧原子在PtSe2中形成一层具有周期性的氧原子层并与PtSe2其中一个表面的Se原子成键（键长为1.70Å），而与PtSe2另一侧表面的Se原子之间的距离为2.72Å，这说明氧原子与PtSe2另一侧表面则以弱相互作用连接，因此这种氧原子插入PtSe2具有完全饱和的化学键，如图2(b)和(d)所示，这暗示可能通过机械剥离的方法将PtSe2O1超晶格剥离得到单层PtSe2O1。与氧气插入PtSe2形成的超晶格的Pt-Se键长（2.52~2.53Å）相比，PtSe2O1超晶格中有两类Pt-Se键，一类为靠近氧原子的Pt-Se键，其中Se原子与氧原子成键，其键长r1=2.48Å；另一类为远离氧原子的Pt-Se键，其键长r2=2.57Å。
图3是本申请实施例一的PtSe2O x 超晶格带隙与插入氧原子比例的关系图，如图3所示，当x<0.56，随着插入氧原子比例x增大，PtSe2O x 超晶格带隙逐渐线性增加。当x=0.56~0.67之间，PtSe2O x 超晶格带隙突然下降。当x>0.67，PtSe2O x 超晶格展现出半金属性质。因此，通过调控插入氧原子比例x在0~0.56之间可对PtSe2O x 超晶格的带隙在0~0.28 eV进行线性调控。
实施例二
下文展示了本申请另一种基于第一性原理的超晶格构建方法，包括：
步骤S1：利用开源材料数据库（Materials Project）获取块体PtSe2的元胞晶体结构的.cif文件，开源材料数据库可提供PtSe2晶格形状，晶格常数和原子坐标。
步骤S2：借助电子和结构分析的三维可视化系统（VESTA）将PtSe2的晶体结构的.cif文件转化为密度泛函计算软件（vasp）的文件格式。
步骤S3：根据赝势文件（POTCAR）中Pt和Se元素中的最大平面波截断能信息，设置截断能；对PtSe2结构进行第一性原理结构弛豫计算，获得能量和结构稳定的PtSe2晶体结构信息，其中包括晶格参数和原子坐标；结构弛豫计算文件包括参数设置文件（INCAR）、晶体结构文件（POSCAR）、赝势文件（POTCAR）和晶体倒矢格文件（KPOINTS）；在晶体结构弛豫计算中，输出文件CONTCAR为计算获得的弛豫后的元胞结构文件。
步骤S4：利用VESTA软件，将弛豫后的结构文件（CONTCAR）类型转化为.cif文件格式。
步骤S5：通过Material Studio软件将结构弛豫后的.cif文件进行可视化，获得PtSe2元胞晶体结构信息；扩宽相邻2层PtSe2的层间距5 nm；并在层间插入O原子，其插入位置为其中一层PtSe2的Se原子正上方，另一层PtSe2的由Pt和Se构成的六边形中心，进而构建PtSe2O晶体结构。
步骤S6：利用Material Studio软件将上述PtSe2O晶体结构信息转化为.cif文件格式。
步骤S7：通过VESTA软件将PtSe2O的晶体结构的.cif文件转化为vasp的文件格式。
步骤S8：根据赝势文件中Pt，Se和O元素中的最大平面波截断能信息，设置截断能；对 PtSe2O结构进行第一性原理结构弛豫计算，获得能量和结构稳定的PtSe2O晶体结构信息，其中包括晶格参数和原子坐标；结构弛豫计算文件包括参数设置文件（INCAR）、晶体结构文件（POSCAR）、赝势文件（POTCAR）和晶体倒矢格文件（KPOINTS）；在晶体结构弛豫计算中，输出文件CONTCAR为计算获得的弛豫后最稳定的PtSe2O晶体结构文件。
图4为本申请实施例二中PtSe2O x 插入氧原子比例为0.11时的电子能带结构图，如图4所示，氧原子的插入使PtSe2层间距被扩大，导致PtSe2层间解耦合，并且由于只有很少数量的氧原子与Se原子连接，不能有效的在层间扩大的PtSe2带隙引入新的能带，导致带隙打开。PtSe2O0.11超晶格具有0.1 eV的间接带隙，其CBM位于Γ-X点，VBM位于K-Γ点。
在本实施例中，步骤S5中增加插入氧原子的比例。
图5为本申请实施例二中插入氧原子比例增加到0.33时的电子能带结构图，如图5所示，x = 0.33时，PtSe2层间距进一步扩大，导致PtSe2O x 超晶格的带隙进一步扩大，其带隙为0.25 eV，并且其CBM从Γ-X点移动到K点，VBM从K-Γ点移动到Γ点。
在本实施例中，步骤S5中增加插入氧原子的比例。
图6为本申请实施例二中插入氧原子比例增加到0.67时的电子能带结构图，如图6所示，氧原子比例增大到x = 0.67时，扩大的层间距几乎达到饱和，PtSe2层间距增加幅度减小，说明层间距扩大的PtSe2的带隙在进一步增加氧原子比例下变化不大，但是插入氧原子比例进一步增加会减小PtSe2O x 超晶格的带隙。PtSe2O0.67超晶格具有0.025 eV的带隙，其CBM和VBM位于A点。由于PtSe2O0.67超晶格是通过3×3×1扩胞得到的，其电子能带结构被折叠，因此PtSe2O x 超晶格位于A点的直接带隙是通过能带折叠得到的。
在本实施例中，步骤S5中增加插入氧原子的比例。
图7为本申请实施例二中插入氧原子比例增加到1时的电子能带结构图，图7所示，氧原子比例增大到x = 1.00时，由于大量氧原子插入导致带隙减小到-0.15 eV，因此PtSe2O1超晶格为金属性质。
实施例三
本实施例与实施例二不同的是：免去步骤S5-S8，其他与实施例二相同。
图8为本申请实施例三的电子能带结构图，如图8所示，双层PtSe2的VBM和CBM位于Γ-M点，并且具有0.2 eV的带隙。
本发明通过借鉴软氧等离子体插层的方法，选择PtSe2材料作为插层宿主二维材料，氧气分子和氧原子作为插层剂，构建PtSe2O x 超晶格结构，其中x = 0~1。通过密度泛函理论计算其能带结构，发现插入氧原子与PtSe2相互作用在带隙中引入新能带，突破PtSe2本身的带隙限制（0.025 eV），实现远红外探测。通过调控氧原子比例，实现单层PtSe2O x 带隙从0.15到1.1 eV的连续调控。为红外光电探测器在未来的应用提供了新的选择。
本发明解决了在第一性原理计算条件下的超晶格材料模型构建和性能表征的难点，可通过在二维材料的层间插入不同原子或者分子构建超晶格得到需要的材料特性。
由于本发明采用基于密度泛函理论的第一性原理计算，通过晶格结构模型输入的原子坐标和各个元素的赝势信息来进行结构的设计与优化。
由于本发明采用理论计算的方式，充分高效利用现代科技发展带来的强大的理论计算和模拟能力，减少了实验设备和实验材料带来的高昂运行成本，为后续实验的开展提供强有力的理论支撑。
如图9所示，本申请还提供一种基于第一性原理的超晶格构建系统，包括：
获取模块，用于获取目标晶系的元胞晶体结构的数据文件；
第一构建模块，用于基于所述目标晶系的元胞晶体结构的数据文件构建初步晶体结构；
第一弛豫模块，用于对所述初步晶体结构进行第一性原理弛豫计算，得到稳定构型的初步晶体结构信息；
超晶格构建模块，用于对所述稳定构型的初步晶体结构信息进行可视化，得到稳定构型的初步晶体结构；扩宽相邻2层所述稳定构型的初步晶体结构的层间距，并在间层中插入其他原子，得到初步超晶格结构；
第二弛豫模块，用于对所述初步超晶格结构进行第一性原理弛豫计算，得到稳定构型的初步超晶格结构信息和晶格体系能量；
光电性质模块，用于基于所述稳定构型的初步超晶格结构信息进行第一性原理光电性质计算，得到稳定超晶格的光电性质。
本申请中的一种基于第一性原理的超晶格构建系统，选择插层宿主二维材料和插层剂，构建超晶格结构。通过密度泛函理论计算其能带结构，在带隙中引入新能带，突破本身的带隙限制，实现远红外探测。为红外光电探测器在未来的应用提供了新的选择。解决了在第一性原理计算条件下的超晶格材料模型构建和性能表征的难点，可通过在二维材料的层间插入不同原子或者分子构建超晶格得到需要的材料特性。通过晶格结构模型输入的原子坐标和各个元素的赝势信息来进行结构的设计与优化。充分高效利用现代科技发展带来的强大的理论计算和模拟能力，减少了实验设备和实验材料带来的高昂运行成本，为后续实验的开展提供强有力的理论支撑。
上述实施例仅示例性说明本申请的原理及其功效，而非用于限制本申请。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本申请的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，但凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本申请所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本申请的权利要求所涵盖。
Claims (8)
1.一种基于第一性原理的超晶格构建方法，其特征在于，包括： 获取目标晶系的元胞晶体结构的数据文件；
基于所述目标晶系的元胞晶体结构的数据文件构建初步晶体结构；
对所述初步晶体结构进行第一性原理弛豫计算，得到稳定构型的初步晶体结构信息；对 所述初步晶体结构进行第一性原理弛豫计算，得到稳定构型的初步晶体结构信息，包括：对 所述目标晶系的元胞晶体结构的数据文件进行格式转换，得到与预设的密度泛函计算工具匹 配的第一赝势文件； 基于预设的密度泛函计算工具对所述第一赝势文件进行分析，得到元胞 晶体结构中各元素的第一最大平面波截断能信息；基于所述第一最大平面波截断能信息对所 述元胞晶体结构进行截断能设置，得到稳定构型的初步晶体结构信息；
对所述稳定构型的初步晶体结构信息进行可视化，得到稳定构型的初步晶体结构；扩宽 相邻 2 层所述稳定构型的初步晶体结构的层间距，并在间层中插入其他原子，得到初步超晶 格结构；
对所述初步超晶格结构进行第一性原理弛豫计算，得到稳定构型的初步超晶格结构信息 和晶格体系能量；对所述初步超晶格结构进行第一性原理弛豫计算，得到稳定构型的初步超 晶格结构信息和晶格体系能量，包括：对所述超晶格结构的数据文件进行格式转换，得到与 预设的密度泛函计算工具匹配的第二赝势文件；基于预设的密度泛函计算工具对所述第二赝 势文件进行分析，得到超晶格结构中各元素的第二最大平面波截断能信息；基于所述第二最 大平面波截断能信息对所述超晶格结构进行截断能设置，得到稳定构型的初步超晶格结构信 息和晶格体系能量；
基于所述稳定构型的初步超晶格结构信息进行第一性原理光电性质计算，得到稳定超晶 格的光电性质。
2.根据权利要求 1 所述一种基于第一性原理的超晶格构建方法，其特征在于，所述目标 晶系的元胞晶体结构为 MoS2 、WS2 、MoSe2 、WSe2 、ReS2 和 PtSe2 中的任意一种。
3.根据权利要求 1 所述一种基于第一性原理的超晶格构建方法，其特征在于，对所述初 步晶体结构进行第一性原理弛豫计算时，允许所有原子弛豫，弛豫直至残余力小于0.001 eV/Å。
4.根据权利要求 1 所述一种基于第一性原理的超晶格构建方法，其特征在于，所述最大 平面波截断能设置为 500 eV。
5.根据权利要求 1 所述一种基于第一性原理的超晶格构建方法，其特征在于，对所述初 步晶体结构进行第一性原理弛豫计算时，在费米能级处使用高斯模糊并通过部分占据来进行 模糊处理，模糊宽度为 0.05 eV。
6.根据权利要求 1 所述一种基于第一性原理的超晶格构建方法，其特征在于，所述稳定 构型的初步晶体结构信息或者所述稳定构型的初步超晶格结构信息包括晶格参数和原子坐 标。
7.根据权利要求 1 所述一种基于第一性原理的超晶格构建方法，其特征在于，扩宽2层 所述稳定构型的初步晶体结构的层间距设置为 3-7 nm；
在间层中插入其他原子时，插入位置为其中一层元胞晶体结构的硫族原子正上方，另一 层元胞晶体结构的由金属原子和硫族原子构成的六边形中心。
8.一种基于第一性原理的超晶格构建系统，其特征在于，包括：
获取模块，用于获取目标晶系的元胞晶体结构的数据文件；
第一构建模块，用于基于所述目标晶系的元胞晶体结构的数据文件构建初步晶体结构；
第一弛豫模块，用于对所述初步晶体结构进行第一性原理弛豫计算，得到稳定构型的初 步晶体结构信息；对所述初步晶体结构进行第一性原理弛豫计算，得到稳定构型的初步晶体 结构信息，包括：对所述目标晶系的元胞晶体结构的数据文件进行格式转换，得到与预设的 密度泛函计算工具匹配的第一赝势文件；基于预设的密度泛函计算工具对所述第一赝势文件 进行分析，得到元胞晶体结构中各元素的第一最大平面波截断能信息；基于所述第一最大平 面波截断能信息对所述元胞晶体结构进行截断能设置，得到稳定构型的初步晶体结构信息；
超晶格构建模块，用于对所述稳定构型的初步晶体结构信息进行可视化，得到稳定构型 的初步晶体结构；扩宽相邻 2 层所述稳定构型的初步晶体结构的层间距，并在间层中插入其 他原子，得到初步超晶格结构；
第二弛豫模块，用于对所述初步超晶格结构进行第一性原理弛豫计算，得到稳定构型的 初步超晶格结构信息和晶格体系能量；对所述初步超晶格结构进行第一性原理弛豫计算，得 到稳定构型的初步超晶格结构信息和晶格体系能量，包括：对所述超晶格结构的数据文件进 行格式转换，得到与预设的密度泛函计算工具匹配的第二赝势文件； 基于预设的密度泛函计 算工具对所述第二赝势文件进行分析，得到超晶格结构中各元素的第二最大平面波截断能信 息；基于所述第二最大平面波截断能信息对所述超晶格结构进行截断能设置，得到稳定构型 的初步超晶格结构信息和晶格体系能量；
光电性质模块，用于基于所述稳定构型的初步超晶格结构信息进行第一性原理光电性质 计算，得到稳定超晶格的光电性质。
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- 2024-03-19 CN CN202410308741.XA patent/CN117912616B/zh active Active
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