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一种计算过渡金属氧化物能带结构的方法.pdf

摘要
申请专利号:

CN201611183029.3

申请日:

2016.12.20

公开号:

CN106777988A

公开日:

2017.05.31

当前法律状态:

实审

有效性:

审中

法律详情: 实质审查的生效IPC(主分类):G06F 19/00申请日:20161220|||公开
IPC分类号: G06F19/00(2011.01)I 主分类号: G06F19/00
申请人: 云南师范大学
发明人: 王前进; 谭秋红; 刘应开
地址: 650500 云南省昆明市呈贡区聚贤街768号云南师范大学
优先权:
专利代理机构: 云南派特律师事务所 53110 代理人: 叶健
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法律状态
申请(专利)号:

太阳城集团CN201611183029.3

授权太阳城集团号:

|||

法律状态太阳城集团日:

太阳城集团2017.06.23|||2017.05.31

法律状态类型:

实质审查的生效|||公开

摘要

本发明涉及一种利用Quantum??ESPRESSO软件计算过渡金属氧化物能带结构的方法,属于计算材料学领域。Quantum??ESPRESSO软件基于密度泛函理论计算材料的电子结构,同时考虑了过渡金属的d电子和O的2p电子的库仑相互作用,准确计算出过渡金属氧化物的能带结构,为分析其磁学、电学及光学等方面的性能提供了理论基础。

权利要求书

1.一种计算过渡金属氧化物能带结构的方法,包括如下步骤:
(1)建立晶体模型
根据晶体所属的空间群、晶格常数,原子坐标建立晶体的结构模型;
(2)参数及结构优化
a.根据上述晶体的空间群、晶格常数、原子坐标建立Quantum-ESPRESSO软件的输入文
件,用XCRYSDEN可视化软件查看所建结构正确与否;
b.利用PWGUI图形界面对输入文件的各参数进行设置,选取合适的赝势;
c.对截断能(ecutwfc)及K点(K_POINTS)参数进行收敛测试,选取合适的截断能和K点,
并优化晶格参数;
(3)电子结构计算
a.电子的自洽计算:利用步骤(2)优化后的晶格常数、截断能及K点参数设置lda_plus_
u = .ture.用来衡量各元素的U值作用,对氧和过渡金属分别设定一定的U值,其中氧衡量
的是2p电子相互作用,过渡金属衡量的是3d电子的相互作用,建好自洽输入文件,之后用
pw.x执行自洽计算;
b.非自洽计算:该输入文件与自洽输入文件不同之处为calculation须设置为'
bands',同时设置nbnd用来设置计算能带的数目,设置K_POINTS高对称点以及之间的K点,
其中高对称点的选取可借助于XCRYSDEN软件,之后用pw.x执行非自洽计算;
c.利用bands.x计算出K点及对应的本征值;
d.对得到的K点及本征值进行处理,可编程处理后用origin软件或用Quantum-
ESPRESSO自带的plotband.x后处理程序进行绘图。
(4)重复步骤(3),根据实验带隙的大小及3d态的能量位置寻找合适的U值,并做出其对
应的能带结构图。

说明书

一种计算过渡金属氧化物能带结构的方法

技术领域

本发明涉及材料电子结构的计算模拟技术,特别涉及一种计算过渡金属氧化物能
带结构的方法。

背景技术

以ZnO为代表的过渡金属氧化物由于在光学、电学、磁学等方面表现出优异的性能
而受到人们的广泛关注。材料的电子结构决定材料的各方面性能,对材料电子结构的研究
可以很好的预测材料的性能。过渡金属氧化物中,由于3d电子之间的强关联效应的存在,准
确地预测其物理化学性质,一直是物理学的难题之一。

基于密度泛函理论(DFT)的第一性原理计算被广泛应用于材料性能的计算模拟
中,早期的DFT(GGA和LDA)计算表明,单纯的DFT方法计算出的过渡金属氧化物的带隙偏小,
与实验值存在较大的差异,不能合理的解释材料的许多基本性质。随后,人们提出了DFT+U
的方法对带隙进行修正(U是Hubbard量,即电子的库仑相互作用),U值主要加在过渡金属的
3d电子轨道,该方法虽然对物质的带隙有了一定的提高,但与实验值还有一定的差距,其主
要原因是过渡金属氧化物中O的2p态位于价带顶,U值只是对过渡金属3d态的能量位置进行
了修正,而对O-2p态的位置影响不大。如何准确的描述过渡金属氧化物的电子结构是目前
理论研究的一个难点,它关系到能否合理的解释材料的基本性能以及对材料未知性能的准
确预测。

发明内容

为解决背景技术中存在的问题,本发明的目的主要是提供一种能准确计算过渡金
属氧化物能带结构的方法。实现本发明的技术方案为:

一种计算过渡金属氧化物能带结构的方法,包括如下步骤:

1)建立晶体模型

查找参考文献,根据晶体所属的空间群、晶格常数,原子坐标建立晶体的结构模型。

2) 参数及结构优化

(a) 根据上述晶体的空间群、晶格常数、原子坐标建立Quantum-ESPRESSO软件的输入
文件,用XCRYSDEN可视化软件查看所建结构正确与否。

(b) 利用PWGUI图形界面对输入文件的各参数进行设置,选取合适的赝势。

(c) 对截断能(ecutwfc)及K点(K_POINTS)参数进行收敛测试,选取合适的截断能
和K点,并优化晶格参数。

3) 电子结构计算

(a) 电子的自洽计算:利用上述优化的晶格常数、截断能及K点等参数,设置lda_plus_
u = .ture.用来衡量各元素的U值作用。对氧和过渡金属分别设定一定的U值,其中氧衡量
的是2p电子相互作用,过渡金属衡量的是3d电子的相互作用。建好自洽输入文件,之后用
pw.x执行自洽计算。

(b) 非自洽计算:该输入文件与自洽输入文件不同之处为calculation须设置为'
bands',同时设置nbnd用来设置计算能带的数目,设置K_POINTS高对称点以及之间的K点。
其中高对称点的选取可借助于XCRYSDEN软件,之后用pw.x执行非自洽计算。

(c) 利用bands.x计算出k点及对应的本征值。

(d) 对得到的K点及本征值进行处理,可编程处理后用origin软件或用Quantum-
ESPRESSO自带的plotband.x后处理程序进行绘图。

4) 重复步骤3,根据实验带隙的大小及3d态的能量位置寻找合适的U值,并做出其
对应的能带结构图。

本发明利用密度泛函理论,同时考虑了氧2p电子及过渡金属3d电子的库仑相互作
用,对过渡金属氧化物的能带结构进行了合理的修正,带隙的理论计算结果(3.389 eV)与
实验值(3.37 eV)非常吻合,误差仅为0.56%,这为分析材料的磁学、电学及光学等性能提供
了理论基础。

附图说明

图1为 ZnO结构示意图。

图2为GGA计算ZnO能带结构示意图。

图3为GGA+U3d计算ZnO能带结构示意图。

图4为 GGA+U3d+U2p计算ZnO能带结构示意图。

具体实施方式

1. 建立晶体模型

根据ZnO的实验晶格常数a=3.25 Å,c=5.20 Å建立晶体模型,其中两个Zn原子的位置分
别为(0.333,0.667,0.000)和(0.667,0.333,0.500), 两个O原子的位置分别为(0.333,
0.667,0.383)和(0.667,0.333,0.883),如附图1。

2. 参数及结构优化

(a) 根据上述晶体的空间群、晶格常数、原子坐标建立Quantum-ESPRESSO软件的输入
文件,并用XCRYSDEN可视化软件查看所建结构正确与否。

(b) 利用PWGUI图形界面对输入文件的各参数进行设置,其中设置occupations =
'smearing'和degauss = 0.005 , 赝势选取PBE超软赝势。

(c) 对截断能(ecutwfc)及K点(K_POINTS)参数进行收敛测试,选取合适的截断能
和K点,并优化晶格参数。经过优化,截断能选取30 Ry, K点为4×4×4,晶格常数为a=3.29
Å, c=5.28 Å。

3. 电子结构计算

(a)电子的自洽计算:利用上述优化的ZnO晶格常数、截断能及K点等参数,设置lda_
plus_u = .ture.用来考虑各元素的U的作用。对O和Zn分别设定一定的U值,其中氧考虑的
是2p电子相互作用,过渡金属考虑的是3d电子的相互作用。建好自洽输入文件,之后用pw.x
执行自洽计算。

(b) 非自洽计算:该输入文件与自洽输入文件不同之处为calculation须设置为'
bands',同时设置nbnd用来设置计算能带的数目,设置K_POINTS高对称点以及之间的K点。
其中高对称点的选取可借助于XCRYSDEN软件,之后用pw.x执行非自洽计算。

(c) 利用bands.x计算出k点及对应的本征值。

(d) 对得到的K点及本征值进行处理,可编程处理后用origin软件或用Quantum-
ESPRESSO自带的plotband.x后处理程序进行绘图。

4. 重复步骤3,根据ZnO实验带隙的大小及Zn的3d态的能量位置,我们得出在UO-2p
=7.3 eV和UZn-3d=9.5 eV时,带隙与实验值非常吻合,如附图4。

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