本發(fā)明涉及新型二維能源轉(zhuǎn)換材料的設(shè)計(jì)與開發(fā)領(lǐng)域，具體涉及一種基于znin2s4的二維能源轉(zhuǎn)換材料設(shè)計(jì)方法。
背景技術(shù)：
1、隨著當(dāng)今社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展和人口的持續(xù)增長，人類對(duì)能源的需求與日俱增。目前人類的能源供給主要依賴于煤、石油、天然氣等不可再生能源，能源短缺問題日趨嚴(yán)重，并且化石能源對(duì)環(huán)境帶來的污染也十分嚴(yán)峻。因此為了人類社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展，不能只局限于傳統(tǒng)化石能源，新型無污染可再生能源的開發(fā)與利用迫在眉睫。
2、太陽能是一種近乎取之不盡用之不竭的綠色能源，對(duì)太陽能的開發(fā)有助于緩解上述人類面對(duì)的能源和環(huán)境問題。半導(dǎo)體光催化技術(shù)能夠?qū)⑻柲苻D(zhuǎn)換為化學(xué)能，光伏技術(shù)能夠?qū)⒐饽苻D(zhuǎn)換為電能，光熱技術(shù)則能夠?qū)⑻柲苻D(zhuǎn)換為熱能。但是，現(xiàn)有能源轉(zhuǎn)換材料普遍存在著可見光利用率低的問題。為解決這一問題，研究者們通常通過在元素?fù)诫s、復(fù)合結(jié)構(gòu)開發(fā)、表面修飾及多尺度形貌控制等手段來改善傳統(tǒng)能源轉(zhuǎn)換材料的光吸收能力。除了對(duì)現(xiàn)有能源轉(zhuǎn)換材料改性外，研究者們還致力于新型能源轉(zhuǎn)換材料的探索和搜尋。
3、二維材料的高電子遷移率、高比表面積、可變能帶結(jié)構(gòu)等特性使其在能源轉(zhuǎn)換領(lǐng)域擁有巨大的應(yīng)用前景。近年來研究者們已經(jīng)將目光由三維材料轉(zhuǎn)移到二維材料的設(shè)計(jì)與開發(fā)中。目前研究者們已經(jīng)合成和制備了一系列二維能源轉(zhuǎn)換材料。
4、傳統(tǒng)新材料開發(fā)通常以實(shí)驗(yàn)為主，通過“炒菜式”方法設(shè)計(jì)新材料，這種材料開發(fā)模式存在實(shí)驗(yàn)周期長、成本高等缺點(diǎn)。隨著高性能計(jì)算機(jī)的飛速發(fā)展，計(jì)算材料設(shè)計(jì)極大地加速了對(duì)光伏材料、光熱材料、光催化劑等領(lǐng)域的研究。第一性原理計(jì)算可以從電子和原子尺度深入探討材料內(nèi)部的電子結(jié)構(gòu)及光吸收特性，節(jié)約研發(fā)成本，能夠?yàn)樾滦投S能源轉(zhuǎn)換材料的開發(fā)和設(shè)計(jì)提供理論指導(dǎo)。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
1、本發(fā)明的目的在于促進(jìn)新型二維能源轉(zhuǎn)換材料的設(shè)計(jì)與開發(fā)，提供了一種基于znin2s4的二維能源轉(zhuǎn)換材料設(shè)計(jì)方法，包括：
2、（1）構(gòu)建模型
3、（1a）利用第一性原理建模軟件，構(gòu)建znin2s4塊體材料的原胞，并對(duì)其進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，計(jì)算基態(tài)能量；
4、（1b）利用步驟（1a）得到的優(yōu)化后的znin2s4塊體材料原胞，構(gòu)建二維znin2s4模型；
5、（1c）在步驟（1b）得到的二維znin2s4材料模型的基礎(chǔ)上，建立不同的原子摻雜位點(diǎn)對(duì)應(yīng)的二維znin2s4超晶胞模型；
6、（2）計(jì)算模擬
7、（2a）設(shè)置適當(dāng)?shù)挠?jì)算參數(shù)，利用第一性原理計(jì)算軟件，對(duì)步驟（1b）獲得的二維znin2s4模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，獲得其基態(tài)幾何結(jié)構(gòu)，計(jì)算基態(tài)能量；
8、（2b）?利用基態(tài)能量計(jì)算結(jié)果，計(jì)算二維znin2s4的剝離能，衡量其熱力學(xué)穩(wěn)定性；
9、（2c）?利用步驟（2a）得到的二維znin2s4基態(tài)幾何結(jié)構(gòu)，計(jì)算其聲子譜，衡量二維znin2s4模型的動(dòng)力學(xué)穩(wěn)定性；
10、（2d）?在能量計(jì)算的二維znin2s4模型的基礎(chǔ)上，設(shè)置相關(guān)輸入文件，利用第一性原理計(jì)算軟件，計(jì)算其能帶結(jié)構(gòu)、態(tài)密度和光學(xué)性質(zhì)；
11、（2e）?設(shè)置適當(dāng)?shù)挠?jì)算參數(shù)，利用第一性原理計(jì)算軟件，對(duì)步驟（1c）建立的摻雜后的二維znin2s4模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，獲得其基態(tài)幾何結(jié)構(gòu)，計(jì)算基態(tài)能量；
12、（2f）?在步驟（2e）得到的摻雜二維znin2s4基態(tài)幾何結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，計(jì)算摻雜二維znin2s4的形成能，衡量其熱力學(xué)穩(wěn)定性；
13、（2g）?在步驟（2e）得到的摻雜二維znin2s4基態(tài)幾何結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，設(shè)置相關(guān)輸入文件，利用第一性原理計(jì)算軟件，計(jì)算其能帶結(jié)構(gòu)、態(tài)密度和光學(xué)性質(zhì)；
14、（3）分析結(jié)果
15、利用后處理軟件，對(duì)第一性原理計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析，繪制出二維znin2s4及元素?fù)诫s后的znin2s4的能帶結(jié)構(gòu)、態(tài)密度和光吸收系數(shù)，從而得到摻雜原子對(duì)二維znin2s4的穩(wěn)定性、能帶結(jié)構(gòu)、態(tài)密度及光吸收的影響，獲得太陽光譜全吸收的二維znin2s4基能源轉(zhuǎn)換材料。
16、優(yōu)選地，所述步驟（1b）中，構(gòu)建二維znin2s4的方法是：
17、利用步驟（1a）得到的優(yōu)化后的znin2s4塊體材料原胞模型，沿001面進(jìn)行切割，建立厚度為6層原子，且上表層為zn原子及s原子的二維znin2s4模型。
18、優(yōu)選地，所述步驟（2a）及（2e）中使用pbe方法對(duì)二維znin2s4模型及摻雜后的二維znin2s4模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。
19、優(yōu)選地，其特征在于所述步驟（2d）中采用hse方法計(jì)算二維znin2s4的能帶結(jié)構(gòu)及態(tài)密度。
20、優(yōu)選地，其特征在于步驟（1c）建立不同的原子摻雜位點(diǎn)對(duì)應(yīng)的二維znin2s4超晶胞模型時(shí)采用替位式摻雜替換zn原子，且摻雜元素選取為cd、mg、ca、sr、ba。
21、本發(fā)明方法具有如下優(yōu)點(diǎn)：提供了一種基于znin2s4的二維能源轉(zhuǎn)換材料設(shè)計(jì)。本發(fā)明方法具有周期短、成本低、計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確、效率高、無污染的優(yōu)點(diǎn)，并且本發(fā)明能夠?yàn)樾滦投S能源轉(zhuǎn)換材料的實(shí)驗(yàn)篩選提供直接的理論指導(dǎo)。此外，本發(fā)明還能夠促進(jìn)新型二維能源轉(zhuǎn)換材料的快速發(fā)展。
1.一種基于znin2s4的二維能源轉(zhuǎn)換材料設(shè)計(jì)方法，其特征在于，包括下述步驟：
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于znin2s4的二維能源轉(zhuǎn)換材料設(shè)計(jì)方法，其特征在于，所述步驟（1b）中，構(gòu)建二維znin2s4的方法是：
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種二維能源轉(zhuǎn)換材料znin2s4的設(shè)計(jì)方法，其特征在于所述步驟（2a）及（2e）中使用pbe方法對(duì)二維znin2s4模型及摻雜后的二維znin2s4模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于znin2s4的二維能源轉(zhuǎn)換材料設(shè)計(jì)方法，其特征在于所述步驟（2d）中采用hse方法計(jì)算二維znin2s4的能帶結(jié)構(gòu)及態(tài)密度。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于znin2s4的二維能源轉(zhuǎn)換材料設(shè)計(jì)方法，其特征在于步驟（1c）建立不同的原子摻雜位點(diǎn)對(duì)應(yīng)的二維znin2s4超晶胞模型時(shí)采用替位式摻雜替換zn原子，且摻雜元素選取為cd、mg、ca、sr、ba。