一種計算過渡金屬氧化物能帶結構的方法與流程
2024-04-06 16:34:05 5
本發明涉及材料電子結構的計算模擬技術，特別涉及一種計算過渡金屬氧化物能帶結構的方法。
背景技術：
以ZnO為代表的過渡金屬氧化物由於在光學、電學、磁學等方面表現出優異的性能而受到人們的廣泛關注。材料的電子結構決定材料的各方面性能，對材料電子結構的研究可以很好的預測材料的性能。過渡金屬氧化物中，由於3d電子之間的強關聯效應的存在，準確地預測其物理化學性質，一直是物理學的難題之一。
基於密度泛函理論(DFT)的第一性原理計算被廣泛應用於材料性能的計算模擬中，早期的DFT(GGA和LDA)計算表明，單純的DFT方法計算出的過渡金屬氧化物的帶隙偏小，與實驗值存在較大的差異，不能合理的解釋材料的許多基本性質。隨後，人們提出了DFT+U的方法對帶隙進行修正(U是Hubbard量，即電子的庫侖相互作用)，U值主要加在過渡金屬的3d電子軌道，該方法雖然對物質的帶隙有了一定的提高，但與實驗值還有一定的差距，其主要原因是過渡金屬氧化物中O的2p態位於價帶頂，U值只是對過渡金屬3d態的能量位置進行了修正，而對O-2p態的位置影響不大。如何準確的描述過渡金屬氧化物的電子結構是目前理論研究的一個難點，它關係到能否合理的解釋材料的基本性能以及對材料未知性能的準確預測。
技術實現要素：
為解決背景技術中存在的問題，本發明的目的主要是提供一種能準確計算過渡金屬氧化物能帶結構的方法。實現本發明的技術方案為：
一種計算過渡金屬氧化物能帶結構的方法，包括如下步驟：
1)建立晶體模型
查找參考文獻，根據晶體所屬的空間群、晶格常數，原子坐標建立晶體的結構模型。
2) 參數及結構優化
(a) 根據上述晶體的空間群、晶格常數、原子坐標建立Quantum-ESPRESSO軟體的輸入文件，用XCRYSDEN可視化軟體查看所建結構正確與否。
(b) 利用PWGUI圖形界面對輸入文件的各參數進行設置，選取合適的贗勢。
(c) 對截斷能(ecutwfc)及K點(K_POINTS)參數進行收斂測試，選取合適的截斷能和K點，並優化晶格參數。
3) 電子結構計算
(a) 電子的自洽計算：利用上述優化的晶格常數、截斷能及K點等參數，設置lda_plus_u = .ture.用來衡量各元素的U值作用。對氧和過渡金屬分別設定一定的U值，其中氧衡量的是2p電子相互作用，過渡金屬衡量的是3d電子的相互作用。建好自洽輸入文件，之後用pw.x執行自洽計算。
(b) 非自洽計算：該輸入文件與自洽輸入文件不同之處為calculation須設置為'bands'，同時設置nbnd用來設置計算能帶的數目，設置K_POINTS高對稱點以及之間的K點。其中高對稱點的選取可藉助於XCRYSDEN軟體，之後用pw.x執行非自洽計算。
(c) 利用bands.x計算出k點及對應的本徵值。
(d) 對得到的K點及本徵值進行處理，可編程處理後用origin軟體或用Quantum-ESPRESSO自帶的plotband.x後處理程序進行繪圖。
4) 重複步驟3，根據實驗帶隙的大小及3d態的能量位置尋找合適的U值，並做出其對應的能帶結構圖。
本發明利用密度泛函理論，同時考慮了氧2p電子及過渡金屬3d電子的庫侖相互作用，對過渡金屬氧化物的能帶結構進行了合理的修正，帶隙的理論計算結果(3.389 eV)與實驗值(3.37 eV)非常吻合,誤差僅為0.56%，這為分析材料的磁學、電學及光學等性能提供了理論基礎。
附圖說明
圖1為 ZnO結構示意圖。
圖2為GGA計算ZnO能帶結構示意圖。
圖3為GGA+U3d計算ZnO能帶結構示意圖。
圖4為 GGA+U3d+U2p計算ZnO能帶結構示意圖。
具體實施方式
1. 建立晶體模型
根據ZnO的實驗晶格常數a=3.25 Å,c=5.20 Å建立晶體模型，其中兩個Zn原子的位置分別為(0.333,0.667,0.000)和(0.667,0.333,0.500), 兩個O原子的位置分別為(0.333,0.667,0.383)和(0.667,0.333,0.883)，如附圖1。
2. 參數及結構優化
(a) 根據上述晶體的空間群、晶格常數、原子坐標建立Quantum-ESPRESSO軟體的輸入文件，並用XCRYSDEN可視化軟體查看所建結構正確與否。
(b) 利用PWGUI圖形界面對輸入文件的各參數進行設置，其中設置occupations = 'smearing'和degauss = 0.005 , 贗勢選取PBE超軟贗勢。
(c) 對截斷能(ecutwfc)及K點(K_POINTS)參數進行收斂測試，選取合適的截斷能和K點，並優化晶格參數。經過優化，截斷能選取30 Ry, K點為4×4×4，晶格常數為a=3.29 Å, c=5.28 Å。
3. 電子結構計算
(a)電子的自洽計算：利用上述優化的ZnO晶格常數、截斷能及K點等參數，設置lda_plus_u = .ture.用來考慮各元素的U的作用。對O和Zn分別設定一定的U值，其中氧考慮的是2p電子相互作用，過渡金屬考慮的是3d電子的相互作用。建好自洽輸入文件，之後用pw.x執行自洽計算。
(b) 非自洽計算：該輸入文件與自洽輸入文件不同之處為calculation須設置為'bands'，同時設置nbnd用來設置計算能帶的數目，設置K_POINTS高對稱點以及之間的K點。其中高對稱點的選取可藉助於XCRYSDEN軟體，之後用pw.x執行非自洽計算。
(c) 利用bands.x計算出k點及對應的本徵值。
(d) 對得到的K點及本徵值進行處理，可編程處理後用origin軟體或用Quantum-ESPRESSO自帶的plotband.x後處理程序進行繪圖。
4. 重複步驟3，根據ZnO實驗帶隙的大小及Zn的3d態的能量位置，我們得出在UO-2p=7.3 eV和UZn-3d=9.5 eV時，帶隙與實驗值非常吻合，如附圖4。