本發(fā)明屬于無機(jī)功能材料分析表征領(lǐng)域，特別是涉及一種單斜相二氧化釩材料點(diǎn)缺陷形成能的高通量模擬方法。
背景技術(shù)：
：二氧化釩是一種備受關(guān)注的熱致變色材料，具有結(jié)構(gòu)簡單、使用過程零能耗、對(duì)溫度自動(dòng)響應(yīng)等優(yōu)點(diǎn)，成為智能窗表面薄膜材料的重要研究對(duì)象。在室溫下二氧化釩是絕緣體，屬于單斜晶系，當(dāng)溫度升高到68℃時(shí)，二氧化釩在若干飛秒內(nèi)迅速發(fā)生金屬-絕緣體轉(zhuǎn)變，對(duì)應(yīng)的晶體結(jié)構(gòu)由單斜晶系轉(zhuǎn)變成四方晶系。發(fā)生金屬-絕緣體轉(zhuǎn)變后，二氧化釩由對(duì)近紅外光的透射狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榉瓷錉顟B(tài)，但對(duì)可見光的透射狀態(tài)沒有明顯變化，不影響視覺效果和采光。單斜相二氧化釩材料點(diǎn)缺陷種類和濃度是影響其作為智能窗表面薄膜的關(guān)鍵因素。為了調(diào)控二氧化釩材料點(diǎn)缺陷種類和濃度，改善VO2薄膜的性能，過去三十年中研究了許多方法，例如通過摻雜改變VO2的能帶結(jié)構(gòu)，控制VO2晶粒尺寸和薄膜微觀形貌，設(shè)計(jì)VO2基復(fù)合材料，調(diào)整VO2制備過程的氧分壓等。單斜相二氧化釩材料本征點(diǎn)缺陷種類繁多，價(jià)態(tài)不一，其濃度更是受到外界多種因素的影響，因此需要高通量的模擬表征方法。通過高通量模擬表征點(diǎn)缺陷的原子微結(jié)構(gòu)和電子行為，對(duì)增強(qiáng)VO2薄膜的抗氧化能力、提高可見光透過率，調(diào)控VO2的金屬-絕緣體轉(zhuǎn)變溫度有重要意義，為智能窗的實(shí)際應(yīng)用起到積極作用。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種單斜相二氧化釩材料點(diǎn)缺陷形成能的高通量模擬方法，其明確了二氧化釩本征點(diǎn)缺陷與氧分壓的關(guān)系，通過高通量模擬表征點(diǎn)缺陷的原子微結(jié)構(gòu)和電子行為，對(duì)增強(qiáng)VO2薄膜的抗氧化能力、提高可見光透過率，調(diào)控VO2的金屬絕緣體轉(zhuǎn)變溫度有重要意義，為智能窗的實(shí)際應(yīng)用起到積極作用。本發(fā)明是通過下述技術(shù)方案來解決上述技術(shù)問題的：一種單斜相二氧化釩材料點(diǎn)缺陷形成能的高通量模擬方法，其特征在于，其包括以下步驟：S1，單斜相二氧化釩點(diǎn)缺陷模型的構(gòu)建：利用晶體結(jié)構(gòu)可視化軟件構(gòu)建二氧化釩超胞模型，并借助該晶體結(jié)構(gòu)可視化軟件將二氧化釩超胞模型轉(zhuǎn)換為三維原子坐標(biāo)文件；S2，缺陷形成能的計(jì)算模擬：設(shè)置輸入文件，進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，生成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的三維原子坐標(biāo)文件，并將其重命名后作為靜態(tài)自洽計(jì)算的輸入文件；靜態(tài)自洽計(jì)算，生成電荷密度數(shù)據(jù)文件；在靜態(tài)自洽計(jì)算的基礎(chǔ)上，設(shè)置輸入?yún)?shù)，進(jìn)行電子特性計(jì)算；分析計(jì)算得到的最優(yōu)化結(jié)構(gòu)，得到點(diǎn)缺陷形成能；S3，結(jié)果處理與分析：通過晶體結(jié)構(gòu)可視化軟件顯示優(yōu)化后體系結(jié)構(gòu)，分析晶格常數(shù)及鍵長鍵角的變化；繪制電荷密度圖、態(tài)密度圖和能帶結(jié)構(gòu)圖，分析點(diǎn)缺陷形成能；分析體積及能量，為智能窗的設(shè)計(jì)提供理論指導(dǎo)。優(yōu)選地，所述晶體結(jié)構(gòu)可視化軟件為MaterialsStudio軟件，電子特性計(jì)算的計(jì)算軟件為VASP軟件。優(yōu)選地，所述電子特性計(jì)算的計(jì)算流程為首先進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，然后靜態(tài)自洽計(jì)算，在生成的電荷密度數(shù)據(jù)文件的基礎(chǔ)上進(jìn)行特性計(jì)算。優(yōu)選地，所述單斜相二氧化釩材料點(diǎn)缺陷形成能的高通量模擬方法采用篩選方法，篩選方法是基于密度泛函的第一性原理計(jì)算，篩選對(duì)象是單斜相二氧化釩的本征點(diǎn)缺陷。優(yōu)選地，所述單斜相二氧化釩點(diǎn)缺陷模型的收斂性并非一致。優(yōu)選地，所述電子特性計(jì)算以氧分壓的高低為變量，考察該變量對(duì)單斜相二氧化釩本征點(diǎn)缺陷的影響。優(yōu)選地，所述單斜相二氧化釩材料點(diǎn)缺陷形成能的高通量模擬方法對(duì)離子實(shí)和價(jià)電子的相互作用采用綴加平面波方法來描述，交換關(guān)聯(lián)泛函采用廣義梯度近似中的Perdew-Burke-Ernzerhof(PBE)方法，平面波截?cái)嗄転?20eV，離子步的能量收斂標(biāo)準(zhǔn)為0.01eV/?。優(yōu)選地，所述單斜相二氧化釩材料點(diǎn)缺陷形成能的高通量模擬方法進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化在計(jì)算時(shí)以Monkhorst-Pack方法產(chǎn)生k點(diǎn)，結(jié)構(gòu)優(yōu)化時(shí)k點(diǎn)設(shè)置為3×3×2。優(yōu)選地，所述能帶結(jié)構(gòu)圖是在KPOINTS輸入文件中設(shè)置Line模式；INCAR文件中ISTART設(shè)置為1，ICHARG設(shè)置為11，并在自洽電荷密度基礎(chǔ)上進(jìn)行計(jì)算和分析。本發(fā)明的積極進(jìn)步效果在于：（1）本發(fā)明基于第一性原理計(jì)算，它只需要知道構(gòu)成單斜相二氧化釩體系的各元素種類和基本晶體結(jié)構(gòu)信息，不需要其它參數(shù)就可以計(jì)算出體系的原子結(jié)構(gòu)、電子結(jié)構(gòu)、總能量等信息；（2）本發(fā)明通過計(jì)算揭示單斜相二氧化釩本征點(diǎn)缺陷的變化規(guī)律，能夠?qū)?shí)驗(yàn)研究進(jìn)行必要補(bǔ)充，還能為新材料的制備提供理論指導(dǎo)和設(shè)計(jì)依據(jù)；（3）本發(fā)采用高通量的計(jì)算模擬方法，無需投入除了計(jì)算機(jī)之外的實(shí)驗(yàn)設(shè)備和原材料，大大降低費(fèi)用，且效率高、過程易控制。附圖說明圖1為實(shí)施方法的輸入文件的示意圖。圖2（a）、圖2（b）、圖2（c）、圖2（d）、圖2（e）、圖2（f）為本發(fā)明的六大類本征點(diǎn)缺陷示意圖。圖3（a）、圖3（b）分別表示電中性點(diǎn)缺陷和帶電點(diǎn)缺陷的具體測試數(shù)據(jù)的示意圖。圖4（a）、圖4（b）為本發(fā)明的氧分壓對(duì)本征點(diǎn)缺陷形成能的影像圖。具體實(shí)施方式下面結(jié)合附圖給出本發(fā)明較佳實(shí)施例，以詳細(xì)說明本發(fā)明的技術(shù)方案。本發(fā)明單斜相二氧化釩材料點(diǎn)缺陷形成能的高通量模擬方法包括以下步驟：S1，單斜相二氧化釩點(diǎn)缺陷模型的構(gòu)建：利用晶體結(jié)構(gòu)可視化軟件構(gòu)建二氧化釩超胞模型，并借助該晶體結(jié)構(gòu)可視化軟件將二氧化釩超胞模型轉(zhuǎn)換為三維原子坐標(biāo)文件；S2，缺陷形成能的計(jì)算模擬：設(shè)置輸入文件，進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，生成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的三維原子坐標(biāo)文件，并將其重命名后作為靜態(tài)自洽計(jì)算的輸入文件；靜態(tài)自洽計(jì)算，生成電荷密度數(shù)據(jù)文件；在靜態(tài)自洽計(jì)算的基礎(chǔ)上，設(shè)置輸入?yún)?shù)，進(jìn)行電子特性（態(tài)密度和能帶結(jié)構(gòu)）計(jì)算；分析計(jì)算得到的最優(yōu)化結(jié)構(gòu)，得到點(diǎn)缺陷形成能；S3，結(jié)果處理與分析：通過晶體結(jié)構(gòu)可視化軟件顯示優(yōu)化后體系結(jié)構(gòu)，分析晶格常數(shù)及鍵長鍵角的變化；繪制電荷密度圖、態(tài)密度圖和能帶結(jié)構(gòu)圖，分析點(diǎn)缺陷形成能；分析體積及能量，為智能窗的設(shè)計(jì)提供理論指導(dǎo)。所述晶體結(jié)構(gòu)可視化軟件為MaterialsStudio軟件，電子特性計(jì)算的計(jì)算軟件為VASP（ViennaAb-initioSimulationPackage）軟件，方便操作，提高準(zhǔn)確性。所述電子特性計(jì)算的計(jì)算流程為首先進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，然后靜態(tài)自洽計(jì)算，在生成的電荷密度數(shù)據(jù)文件的基礎(chǔ)上進(jìn)行特性計(jì)算，以達(dá)到模型結(jié)構(gòu)的最低能量，保證各個(gè)特性計(jì)算的正確性，避免體系物理特性的突變。所述單斜相二氧化釩材料點(diǎn)缺陷形成能的高通量模擬方法采用篩選方法，篩選方法是基于密度泛函的第一性原理計(jì)算，篩選對(duì)象是單斜相二氧化釩的本征點(diǎn)缺陷，有利于提高篩選的科學(xué)性。所述單斜相二氧化釩點(diǎn)缺陷模型的收斂性并非一致，可根據(jù)實(shí)際情況自行設(shè)置，方便使用。所述電子特性計(jì)算以氧分壓的高低為變量，考察該變量對(duì)單斜相二氧化釩本征點(diǎn)缺陷的影響，提高了計(jì)算效率。所述單斜相二氧化釩材料點(diǎn)缺陷形成能的高通量模擬方法對(duì)離子實(shí)和價(jià)電子的相互作用采用綴加平面波方法來描述，交換關(guān)聯(lián)泛函采用廣義梯度近似中的Perdew-Burke-Ernzerhof方法，平面波截?cái)嗄転?20eV，離子步的能量收斂標(biāo)準(zhǔn)為0.01eV/?，保證體系的計(jì)算結(jié)果在可控的計(jì)算量內(nèi)達(dá)到足夠的計(jì)算精度。所述單斜相二氧化釩材料點(diǎn)缺陷形成能的高通量模擬方法進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化在計(jì)算時(shí)以Monkhorst-Pack方法產(chǎn)生k點(diǎn)，結(jié)構(gòu)優(yōu)化時(shí)k點(diǎn)設(shè)置為3×3×2，該方法可以簡單快捷地產(chǎn)生網(wǎng)格點(diǎn)，同時(shí)避開特殊點(diǎn)，提高計(jì)算效率。所述能帶結(jié)構(gòu)圖是在KPOINTS輸入文件中設(shè)置Line模式；INCAR文件中ISTART設(shè)置為1，ICHARG設(shè)置為11，并在自洽電荷密度基礎(chǔ)上進(jìn)行計(jì)算和分析，該方法可以自動(dòng)在起點(diǎn)和終點(diǎn)之間插入指定的k點(diǎn)數(shù)，提高計(jì)算精度。本發(fā)明的特點(diǎn)如下：（1）高通量篩選單斜相二氧化釩的本征點(diǎn)缺陷種類，基于密度泛函的第一性原理計(jì)算方法，對(duì)單斜相二氧化釩晶體結(jié)構(gòu)進(jìn)行幾何優(yōu)化。采用數(shù)據(jù)手冊(cè)讀取的相關(guān)數(shù)據(jù)編寫計(jì)算輸入文件。高通量篩選出若干大類數(shù)十種點(diǎn)缺陷。（2）高通量測試模型的收斂性，構(gòu)建若干種不同大小的模型，在每一種模型中設(shè)置已經(jīng)篩選出的數(shù)十種點(diǎn)缺陷，對(duì)模型的收斂性進(jìn)行測試。在測試時(shí)確定參與計(jì)算的價(jià)態(tài)電子，選取一定的平面波截止能量、K網(wǎng)格大小，同時(shí)設(shè)置原子間相互作用力的收斂標(biāo)準(zhǔn)和能量的收斂標(biāo)準(zhǔn)。（3）高通量計(jì)算不同氧分壓對(duì)單斜相二氧化釩本征點(diǎn)缺陷的影響。分別在貧氧和富氧條件下對(duì)數(shù)十種點(diǎn)缺陷的形成能進(jìn)行高通量計(jì)算，對(duì)于每一種缺陷，需要考慮費(fèi)米面所處的兩種不同位置，一種是費(fèi)米面處于導(dǎo)帶底，另一種是費(fèi)米面處于價(jià)帶頂。從數(shù)據(jù)手冊(cè)讀取的二氧化釩單斜相的相關(guān)數(shù)據(jù)，編寫計(jì)算輸入文件，如圖1所示。相關(guān)數(shù)據(jù)如附表1所示。高通量篩選出6大類合計(jì)28種點(diǎn)缺陷，其中代表性缺陷，圖2(a)表示兩種氧空位，圖2(b)表示釩空位，圖2(c)表示兩種氧間隙，圖2(d)表示釩八面體間隙和四面體間隙，圖2(e)表示氧反占位，圖2(f)表示兩種釩反占位。構(gòu)建2×2×2、2×2×3、3×3×3這三種不同大小的模型，在每一種模型中設(shè)置6大類合計(jì)28種點(diǎn)缺陷，對(duì)模型的高通量收斂性進(jìn)行測試。在測試時(shí)平面波截止能量取520eV，K網(wǎng)格大小為4×4×4，原子間相互作用力的收斂標(biāo)準(zhǔn)是0.005eV/nm，能量的收斂標(biāo)準(zhǔn)是2.0×10-5eV/atom。參與計(jì)算的價(jià)態(tài)電子O為2s22p4，V為3d34s2。電中性點(diǎn)缺陷和帶電點(diǎn)缺陷的具體測試數(shù)據(jù)分別如圖3(a)和3(b)所示。分別在貧氧和富氧條件下對(duì)28種缺陷的缺陷形成能進(jìn)行高通量計(jì)算。對(duì)于每一種缺陷，需要考慮費(fèi)米面所處的兩種不同位置，一種是費(fèi)米面處于導(dǎo)帶底，此時(shí)費(fèi)米能為0，另一種是費(fèi)米面處于價(jià)帶頂，此時(shí)費(fèi)米能為0.69。缺陷形成能的計(jì)算數(shù)據(jù)如表2所示。缺陷形成能隨氧分壓的變化如圖4（a）、（b）所示。表1單斜相二氧化釩晶體結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)晶格常數(shù)a(?)b(?)c(?)α(°)β(°)γ(°)內(nèi)部參數(shù)數(shù)據(jù)5.7434.5175.37590122.6190V(4e):0.2420.9750.025O1(4e):0.1000.2100.200O2(4e):0.3900.6900.290表2單斜相二氧化釩本征點(diǎn)缺陷的形成能首先，考察每種缺陷的可能價(jià)態(tài)，并帶入二氧化釩點(diǎn)缺陷模型中進(jìn)行高通量模擬計(jì)算，摒棄不符合能量最低原則的缺陷價(jià)態(tài)。其次，利用基于密度泛函的第一性原理計(jì)算，對(duì)二氧化釩點(diǎn)缺陷模型的大小進(jìn)行高通量篩選，確定并驗(yàn)證該模型的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。再次，分析富氧和貧氧條件下點(diǎn)缺陷的形成能變化，并考察其原子微結(jié)構(gòu)和電子行為對(duì)二氧化釩熱致變色性能的影響。本發(fā)明明確了二氧化釩本征點(diǎn)缺陷與氧分壓的關(guān)系，通過高通量模擬表征點(diǎn)缺陷的原子微結(jié)構(gòu)和電子行為，對(duì)增強(qiáng)VO2薄膜的抗氧化能力、提高可見光透過率，調(diào)控VO2的金屬-絕緣體轉(zhuǎn)變溫度有重要意義，為智能窗的實(shí)際應(yīng)用起到積極作用。篩選方法是基于密度泛函的第一性原理計(jì)算，篩選對(duì)象是單斜相二氧化釩的本征點(diǎn)缺陷。測試模型大小的收斂性，以氧分壓的高低為變量，考察該變量對(duì)單斜相二氧化釩本征點(diǎn)缺陷的影響。本發(fā)明通過考察單斜相二氧化釩材料可能產(chǎn)生的點(diǎn)缺陷種類，設(shè)置每種缺陷的可能價(jià)態(tài)，構(gòu)建二氧化釩點(diǎn)缺陷模型進(jìn)行高通量模擬計(jì)算，摒棄不符合能量最低原則的缺陷價(jià)態(tài)。利用基于密度泛函的第一性原理計(jì)算，對(duì)二氧化釩點(diǎn)缺陷模型的大小進(jìn)行高通量篩選，確定并驗(yàn)證該模型的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。分析富氧和貧氧條件下點(diǎn)缺陷的形成能變化，并考察其原子微結(jié)構(gòu)和電子行為對(duì)二氧化釩熱致變色性能的影響。本發(fā)明明確了二氧化釩本征點(diǎn)缺陷與氧分壓的關(guān)系，通過高通量模擬表征點(diǎn)缺陷的原子微結(jié)構(gòu)和電子行為，對(duì)增強(qiáng)VO2薄膜的抗氧化能力、提高可見光透過率，調(diào)控VO2的金屬絕緣體轉(zhuǎn)變溫度有重要意義，為智能窗的實(shí)際應(yīng)用起到積極作用。以上所述的具體實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的解決的技術(shù)問題、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了進(jìn)一步詳細(xì)說明，所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實(shí)施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。當(dāng)前第1頁1 2 3